[기술뉴스] 나노스트럭쳐링으로 크게 개선된 열전 재료
표준 나노결정립 형태의 열전재료의 성능이 열전 효과에 기반을 둔 저비용의 냉각과 발전 장치를 설치할 때 대단히 개선되었음을 미국과 중국의 연구원들이 보고했습니다.[Poudel et al., Sciencexpress (2008), doi: 10.1126/science.1156446].
폐열로부터 전력을 발생시키는 연구는 상당히 흥미있는 것입니다. 마찬가지로, 열전 효과는 새로운 에어콘 제품이나 냉장고, 냉각 장치에 사용될 수 있습니다. 이러한 장치들이 경쟁력을 갖추려면, 일반적으로 열전 재료의 무단위 값인 성능지수(figure of merit, ZT)가 1보다 클 필요가 있습니다. 하지만 많이 사용되는 Bi2Te3 기반 재료의 최대 성능지수 값도 수 십년동안 좀처럼 1정도를 벗어나지 않고 있습니다. 비록, 고온에 적용될 수 있는 다른 재료들이 개발되기는 했지만, Bi2Te3 및 합금은 여전히 실온용으로 가장 많이 쓰입니다.
보스턴대, GMZ Energy, MIT, 난징대학의 연구팀은 새로운 방식을 시도했습니다. 그들은 합성된 p-형 나노결정립 Bi(x)Sb(2-x)Te3합금을 벌크 재료를 볼 밀을 이용해 만들었고, 핫 프레싱 방법으로 나노 입자를 주괴로 만들었습니다.
이 결과에서 나노구조로된 재료는 높은 결정성과 결정립의 무작위 배향성을 가집니다. 계면에서 일어나는 강한 포논 산란은 열 전달을 벌크 재료에 비해서 중대하게 감소시키고, 100℃에서 1.4라는 높은 최대 ZT 값을 가질 수 있도록 해줍니다.
"우리들은 재료를 해체 시킨 후 벌크 형태의 복합 나노구조로 재구축함으로써 오래된 재료를 개량할 수 있는 방법을 발견했습니다."고 보스턴대의 Zhifeng Ren은 설명했습니다.
이 제조 방법은 단순하고, 대량 생산으로 전환이 가능하며, 가장 중요한 특징인 싸다는 특징이 있습니다.
연구원들은 고온측의 온도가 각각 50℃, 100℃, 150℃일 때 온도차를 86℃, 106℃, 119℃로 발생시킬 수 있는 냉각장치를 제작함으로써 새로운 재료의 잠재력을 입증했습니다.
"놀라운 부분은 그들이 소개한 '로우 테크', 크기 변화, 그리고 비용에 효과적인 기술의 조합된 공정입니다."고 Brookhaven National Lab.의 Qiang Li을 말했습니다. "하지만 그 공정은 잘 알려진 산업재료의 벌크 나노 복합재료에 뛰어난 열전 특성을 만들었다는 점입니다."
연구팀은 재료의 특성을 좀더 향상시키기 위해서 일할 것이라고 Ren은 말했습니다. "동시에, 우리는 효과적인 냉각 장치와 발전 시스템을 2007년에 우리가 설립한 회사인 GMZ Energy를 통해서 가능한 한 빨리 시장에 내어 놓을 것입니다."
나노 결정립 열전 재료 결정립의 무작위 배향성을 보여주는 의사색체투과전자현미경 사진
[Materials Today May 2008]
(Materials Today 잡지는 http://www.materialstoday.com/ 에서 무료로 보실 수 있습니다.)
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