나노기술 및 정책 정보

• 목록

열전 재료는 열을 전기로 변환하여 지속 가능한 에너지 생산에 매우 매력적임. 특히 산업이 에너지의 2/3 이상을 열로 낭비할 수도 있다는 점을 감안할 때 특히 그러함. 그러나 현재 열전 에너지의 대량 생산은 저에너지 변환 효율로 인해 제한됨.

네덜란드의 델프트 공과대학교(Delft University of Technology) 연구팀이 열전 재료의 나노 구조가 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 설명할 수 있을 뿐만 아니라 나노 물질을 제조하는 상업적으로 매력적인 방법을 제안할 수 있었음. 구조화된 열전 재료로 열전 에너지의 대량 생산 가능성을 높임. 작업의 출발점은 NbCoSn half-Heusler 화합물이라고 불리는 잘 알려진 열전 물질을 사용하는 한국의 공동 연구원이 제공한 실험 결과였음. 이것은 기본적으로 특정 원소(이 경우 니오븀, 코발트 및 주석)를 넣는 특정 유형의 결정 구조임. 각 요소의 양과 위치를 모두 가지고 조절해 보면(예를 들어 코발트 대신에 더 많은 니오브를 넣는) 재료의 전반적인 효율성에 어떤 영향을 미치는지 알 수 있음. 한국 협력자들의 결과는 특정 온도에서 특정 종류의 나노 구조가 이 물질 내에 형성된다는 것을 보여주었음. 그래서 연구팀은 이러한 관찰을 바탕으로 이론적 시뮬레이션을 실행했음. 먼저 1 개 또는 2 개의 코발트 원자를 다양한 위치에 추가하는 효과를 시뮬레이션하여 효율성을 높일 수 있는지 여부를 확인했음. 이 여분의 코발트의 위치는 이 물질의 전체 성능에 정말로 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌음. 이는 실험을 수행하는 팀의 측정 해상도를 넘어서서 실제로 설명할 수 없었음. 연구팀은 에너지 필터링으로 알려진 효과를 입증할 수 있었음. 이를 특정 에너지 이하의 전자에 대한 일종의 장벽으로 생각할 수 있으며 이는 결과적으로 전체 전기 전도도를 향상시킴. 저에너지 전자를 걸러내고 고에너지 전자가 통과하도록 허용함으로써 전체적인 효율성이 증가함. 이것은 나노 구조 효과로 물질의 나머지 부분에서 나노 구조의 형성과 그 사이의 경계면이 장벽 역할을 하므로 이러한 나노 구조가 없으면 인터페이스가 없기 때문에 이 효과가 나타나지 않음. 하지만 곧 이러한 나노 구조가 형성됨에 따라 저에너지 전자는 차단하지만 고에너지 전자는 통과하여 전체 에너지 효율이 증가하는 인터페이스를 얻게 됨. 궁극적으로, TU Delft 시뮬레이션은 이 맞춤형 NbCoSn 열전 재료에서 에너지 효율이 증가하는 두 가지 이유를 제시했음. 격자 구조 내의 틈새 사이트라고 하는 특정 위치에 추가 코발트 원자의 존재와 에너지 필터링 효과임. 더욱이, 이 나노 구조의 열전 재료가 더 에너지 효율적인 이유에 대한 이해가 향상됨에 따라 열전 에너지를 생산하는 더 나은 방법을 제안함. 현재 나노 구조의 열전 재료는 미리 형성된 구조를 분쇄하고 가열하는 길고 함난한 공정을 통해 만들어짐. 이는 시간과 에너지를 모두 소비하므로 대량 생산에 적합하지 않음. 팀은 기존의 경로를 따르지 않고 "구조화되지 않은" 또는 비정질 재료로 시작하는 것을 제안했음. 비정질 재료로 시작하는 이점은 결정 구조가 없으므로 나노 구조화 하는 공정을 진행할 필요가 없다는 것임. 따라서 에너지 효율이 높아 열전 에너지 대량 생산에 훨씬 더 유용함.

본 연구 성과는 ‘Nano Energy’ (“Tailoring nanostructured NbCoSn-based thermoelectric materials via crystallization of an amorphous precursor”) 지에 게재됨