열에서 전기를 생성하는 새로운 열전재료 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2022-07-10 10:52:01
3'20" 읽기
- 열전 변환은 재료가 전기는 높지만 열전도율이 낮을 때 특히 효율적
- 철, 바나듐, 알루미늄(Fe2VAl)으로 이루어진 금속 합금을 가열-냉각 실험 반복
- 앤더슨 전이가 열전 효율에 중요하다는 것이 밝혀져
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대부분의 발전소에서 열은 터빈에 의해 전기로 변환되며 많은 에너지가 손실된다. 그러나 열전 재료를 사용하는 보다 직접적인 방법도 있다. 그것들에서 소위 Seeberg 효과는 물질 내의 작은 온도 차이라도 전자를 움직이게 하고 전류가 흐르도록 한다. 결과적으로 기계의 폐열이나 우리 몸의 열을 전기로 변환하는 데 재료의 얇은 층으로도 충분하다.
전자에 집중
열전 변환은 재료가 전기는 높지만 열전도율이 낮을 때 특히 효율적이다. 그러나 이러한 특성을 가진 재료를 찾는 것은 쉽지 않다. 지금까지 반도체 재료에 의도적으로 이물질을 도입하고 열전도율을 낮추어 이를 달성하려는 시도가 있었다. "반면, 방정식의 전기적 부분을 증가시키는 것은 훨씬 더 어렵지만 필요한 작업이다"라고 Vienna University of Technology의 파비안가름라우디( Fabian Garmroudi)와 그의 동료들은 설명했다.
이론에 따르면 물질의 전도성 전자는 매우 좁은 에너지 범위 내에서만 이동할 수 있다. Garmroudi와 그의 팀은 최근 이것이 실제로 무엇을 의미하고 재료에서 이것이 어떻게 달성될 수 있는지 조사했다. 이를 위해 철, 바나듐, 알루미늄(Fe2VAl)으로 이루어진 금속 합금을 1,380도까지 다양한 온도로 잠시 가열한 다음 수조에서 빠르게 냉각하는 실험을 했다. 팀은 재료의 구조와 전자 거동을 분석했다.
앤더슨 전이 중요
분석 결과 소위 앤더슨 전이가 열전 효율에 중요하다는 것이 밝혀졌다. 재료에 무작위로 분포된 불순물이 임계 밀도를 초과할 때 발생한다. Garmroudi는 "바다의 빙원과 비슷하며 처음에는 서로 격리되어 밟을 수 없다"라고 설명한다. "하지만 유빙의 수가 충분히 많다면 바다를 건너는 데 사용할 수 있는 지속적인 연결이 있다.“
재료에 적용하면 예를 들어 외부 원자의 수가 임계값을 초과하면 전자가 갑자기 한 원자에서 다른 원자로 자유롭게 이동할 수 있음을 의미한다. 작은 온도 구배도 전류가 흐르도록 하기에 충분하다. Garmroudi는 "이상적인 열전을 위한 조건은 국부 전자 상태에서 이동 전자 상태로 양자 상전이인 Anderson 전이에 존재한다"라고 말했다.
가열 및 담금질을 통한 최적화
실험은 앤더슨 전이가 더 많은 외부 원자를 추가할 뿐만 아니라 단순히 가열한 후 수조에서 급냉(Quenching)으로 알려진 급속 냉각에 의해서도 동시에 달성될 수 있음을 보여주었다.
"고온에서 원자는 매우 강하게 진동하여 때때로 격자 위치를 바꾼다"라고 비엔나 공과 대학의 Ernst Bauer가 설명했다. "예를 들어, 철 원자는 이전에 바나듐 원자가 있던 곳에 위치한다.“
추가 외부 원자와 유사하게 이러한 불규칙한 열 유도 결함은 물질의 화학적 조성을 변경하지 않고도 전자의 이동성을 증가시킨다. 이것은 금속 화합물을 이론에서 요구하는 대로 전자가 매우 좁은 에너지 범위 내에서 이동하는 매우 효율적인 열전 재료로 전환한다.
열전 재료의 성능 향상
측정 결과 1,380도에서 급냉된 금속 화합물의 열전 출력이 7.6mW/mK^2인 것으로 나타났다. "이것은 이 시스템의 최고 도핑 변종에 비해 30~40% 증가한 것이며 고체 상태에 대해 보고된 가장 높은 열전 성능 중 하나다." 최고의 n-도핑 비스무트-텔루르 시스템은 현재 절반의 역률을 달성한다.
Garmroudi와 그의 동료들은 "우리의 연구는 열전 재료 최적화를 위한 새로운 패러다임을 제시한다"라고 말했다. 이에 따르면, 특히 열에 의해 발생하는 결정 격자의 재배열 및 무질서는 열전 출력을 추가적으로 증가시킬 수 있다. 이것은 더 효율적인 열 변환기와 이전에 사용하지 않은 열로부터 향상된 전기 생성으로 가는 길을 열어준다.
(nature communcations, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-31159-w)
출처: Technische Universität Wien / 비엔나 공과대학교
- 열전 변환은 재료가 전기는 높지만 열전도율이 낮을 때 특히 효율적
- 철, 바나듐, 알루미늄(Fe2VAl)으로 이루어진 금속 합금을 가열-냉각 실험 반복
- 앤더슨 전이가 열전 효율에 중요하다는 것이 밝혀져
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열에서 전기를 생성하는 새로운 방법
최적의 열전 변환을 위한 기반
폐열로 인한 에너지:
연구원들이 열을 직접 전압으로 변환할 수 있는 고체 물질인 효율적인 유형의 열전 재료를 발견했다. 기존의 접근 방식과 달리 짧고 강한 가열은 전자가 이동하는 방식으로 철, 바나듐 및 알루미늄으로 구성된 금속 화합물의 원자 구조를 변경한다. 이 임계값을 초과하면 재료의 작은 온도 차이로도 장력을 생성하기에 충분하다.
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| ▲ 열전 발전기는 터빈과 발전기를 거치지 않고 열을 직접 전기로 변환할 수 있다. © 비엔나 공과 대학 |
대부분의 발전소에서 열은 터빈에 의해 전기로 변환되며 많은 에너지가 손실된다. 그러나 열전 재료를 사용하는 보다 직접적인 방법도 있다. 그것들에서 소위 Seeberg 효과는 물질 내의 작은 온도 차이라도 전자를 움직이게 하고 전류가 흐르도록 한다. 결과적으로 기계의 폐열이나 우리 몸의 열을 전기로 변환하는 데 재료의 얇은 층으로도 충분하다.
전자에 집중
열전 변환은 재료가 전기는 높지만 열전도율이 낮을 때 특히 효율적이다. 그러나 이러한 특성을 가진 재료를 찾는 것은 쉽지 않다. 지금까지 반도체 재료에 의도적으로 이물질을 도입하고 열전도율을 낮추어 이를 달성하려는 시도가 있었다. "반면, 방정식의 전기적 부분을 증가시키는 것은 훨씬 더 어렵지만 필요한 작업이다"라고 Vienna University of Technology의 파비안가름라우디( Fabian Garmroudi)와 그의 동료들은 설명했다.
이론에 따르면 물질의 전도성 전자는 매우 좁은 에너지 범위 내에서만 이동할 수 있다. Garmroudi와 그의 팀은 최근 이것이 실제로 무엇을 의미하고 재료에서 이것이 어떻게 달성될 수 있는지 조사했다. 이를 위해 철, 바나듐, 알루미늄(Fe2VAl)으로 이루어진 금속 합금을 1,380도까지 다양한 온도로 잠시 가열한 다음 수조에서 빠르게 냉각하는 실험을 했다. 팀은 재료의 구조와 전자 거동을 분석했다.
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| ▲ Anderson-Tansition 에서 결정 격자의 결함은 전자의 열전 이동에 필요한 밀도에 정확히 도달한다. © Garmroudi et al./ Nature Communications, CC-by 4.0 |
앤더슨 전이 중요
분석 결과 소위 앤더슨 전이가 열전 효율에 중요하다는 것이 밝혀졌다. 재료에 무작위로 분포된 불순물이 임계 밀도를 초과할 때 발생한다. Garmroudi는 "바다의 빙원과 비슷하며 처음에는 서로 격리되어 밟을 수 없다"라고 설명한다. "하지만 유빙의 수가 충분히 많다면 바다를 건너는 데 사용할 수 있는 지속적인 연결이 있다.“
재료에 적용하면 예를 들어 외부 원자의 수가 임계값을 초과하면 전자가 갑자기 한 원자에서 다른 원자로 자유롭게 이동할 수 있음을 의미한다. 작은 온도 구배도 전류가 흐르도록 하기에 충분하다. Garmroudi는 "이상적인 열전을 위한 조건은 국부 전자 상태에서 이동 전자 상태로 양자 상전이인 Anderson 전이에 존재한다"라고 말했다.
가열 및 담금질을 통한 최적화
실험은 앤더슨 전이가 더 많은 외부 원자를 추가할 뿐만 아니라 단순히 가열한 후 수조에서 급냉(Quenching)으로 알려진 급속 냉각에 의해서도 동시에 달성될 수 있음을 보여주었다.
"고온에서 원자는 매우 강하게 진동하여 때때로 격자 위치를 바꾼다"라고 비엔나 공과 대학의 Ernst Bauer가 설명했다. "예를 들어, 철 원자는 이전에 바나듐 원자가 있던 곳에 위치한다.“
추가 외부 원자와 유사하게 이러한 불규칙한 열 유도 결함은 물질의 화학적 조성을 변경하지 않고도 전자의 이동성을 증가시킨다. 이것은 금속 화합물을 이론에서 요구하는 대로 전자가 매우 좁은 에너지 범위 내에서 이동하는 매우 효율적인 열전 재료로 전환한다.
열전 재료의 성능 향상
측정 결과 1,380도에서 급냉된 금속 화합물의 열전 출력이 7.6mW/mK^2인 것으로 나타났다. "이것은 이 시스템의 최고 도핑 변종에 비해 30~40% 증가한 것이며 고체 상태에 대해 보고된 가장 높은 열전 성능 중 하나다." 최고의 n-도핑 비스무트-텔루르 시스템은 현재 절반의 역률을 달성한다.
Garmroudi와 그의 동료들은 "우리의 연구는 열전 재료 최적화를 위한 새로운 패러다임을 제시한다"라고 말했다. 이에 따르면, 특히 열에 의해 발생하는 결정 격자의 재배열 및 무질서는 열전 출력을 추가적으로 증가시킬 수 있다. 이것은 더 효율적인 열 변환기와 이전에 사용하지 않은 열로부터 향상된 전기 생성으로 가는 길을 열어준다.
(nature communcations, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-31159-w)
출처: Technische Universität Wien / 비엔나 공과대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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