열전 효율성을 향상시키는 새로운 방법

열전소재는 열을 전기로 변화시키거나 전기를 열로 변화시킬 수 있다. 이러한 열전소재는 기존의 가열 및 냉각 시스템을 뛰어넘는 많은 장점들을 가지고 있다.

최근 칼텍공과학대학(California Institute of Technology, Caltech) 연구진은 특정 열전소재가 몇 종류의 고상을 결합하면 그 특성이 향상될 수 있다는 것을 발표했다. 새로운 복합 열전소재의 단면 모양은 소시지의 슬라이드 안에 고기와 지방이 혼재되어 있는 것과 같은 모양이다. 이러한 기법으로 열전소재의 에너지변환 효율은 크게 향상될 수 있다는 것이 확인되었다. 그러나 과학자들은 이러한 고상의 조합으로 인해서 발생하는 에너지 변환 효율성의 상승에 대한 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀내지 못하고 있다.

연구진은 두세개의 고상을 가진 열전소재의 전기적 특성을 분석할 수 있는 새로운 기술을 개발하는 데 성공했다. 새로운 기술은 여러 상을 가진 열전소재의 특성을 이해하는 데 도움을 줄 수 있으며 최적의 특성을 가진 새로운 물질을 설계하는 데에 도움이 될 것으로 기대된다.

여러 상을 가진 물질에서 각각의 상의 특성을 분리하여 이를 직접적으로 측정하는 것은 매우 어렵다. 칼텍 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해서 각각의 상의 전기적 특성을 계산하는 새로운 방법을 개발했다. 지금까지는 복합 소재에 대한 실험적인 방법 밖에 없었다. “이는 초코칩 쿠키를 한꺼번에 물어서 초코와 쿠키의 맛을 별도로 평가할 수 없는 것과 같다.”고 칼텍공과대학의 Jeff Snyder 박사는 설명했다.

“기존의 이론은 개개의 상을 기반으로 벌크 복합체의 특성을 예측하는 방식으로 이루어진다. 반면에 이번 기술은 벌크 복합체를 선택해서 구성하는 각각의 상을 분석하는 방식”이라고 연구진은 설명했다. 연구진은 각각의 상에 자기장을 가해서 자기장의 강도에 따른 전기적 특성을 평가하였다. 이를 통해서 서로 다른 두 상의 영향을 분리하였다.

연구진은 이번에 개발된 측정 기술을 이용하여 Cu1.97Ag0.03Se 열전소재 특성을 평가했다. Cu1.97Ag0.03Se는 Cu2Se가 주 결정을 이루고 CuAgSe가 불순물 결정을 이룬다. 열전물질은 현재 틈새 응용 분야에 활용되고 있다. 자동차시트, 와인쿨러, 온도에 민감한 의료장비를 보관하는 의료용 냉각기 등에 활용되고 있다.

기존의 압축기를 기반으로 하는 냉각시스템은 열전소자에 비해 3배 이상 에너지를 소비한다. 이론적인 계산에 의하면 적절한 물질의 조합으로 인해서 열전소자의 에너지 변화 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이번 계산법은 새로운 열전물질 설계에 큰 도움이 될 것이라고 연구진은 설명했다.

다중 상을 가진 열전소재의 성능은 마이크로 또는 나노 크기의 구조체에서 형성되는 양자효과에 의한 것이라고 연구진은 설명했다. 이번 연구는 Applied Physics Letters에 "Determining conductivity and mobility values of individual components in multiphase composite Cu1.97Ag0.03Se"라는 제목으로 게재되었다.

그림. 여러 상을 가진 열전 소재 Cu(1.97)Ag(0.03)Se, 주 결정구조는 Cu(2)Se이고 불순물은 CuAgSe 결정 구조로 이루어져 있다. 전자현미경 사진에는 불순물 상이 밝게 빛나고 있다. 결정 내의 공공은 검은 점으로 나타나고 있다.

그림. 칼텍 연구진은 복합체 내의 각각의 상에 대한 전기적 특성을 계산하기 위한 간단한 소자를 개발했다.   

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』            

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 열전 효율성을 향상시키는 새로운 방법