나노기술 및 정책 정보

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단결정 소재는 우수한 기계 안정성, 낮은 광학 소모와 우수한 전기 전도 성능을 보유하고 있기 때문에 고성능 광학 및 반도체 산업 분야에서 폭넓게 응용되고 있으며, 우수한 열전도 성능을 보유하고 있는 SnSe 단결정 소재는 열에너지와 전기 에너지 간의 상호 전환을 실현시킬 수 있으며, 온도 차이를 이용한 발전(發電)과 열 발전(發電) 과정에서의 냉각 분야에서 폭넓은 응용 전망을 보유하고 있음.

하지만 전통적인 단결정 성장 방법을 이용한 성장은 성장 속도가 느리고, 제조 조건이 까다롭고, 가공 원가가 높은 등 문제점을 함유하고 있기 때문에 단결정 SnSe 소재의 대규모 산업화 응용을 제한하고 있는 상황임.

중국과학원 공정 물리 연구소 산하 "에너지 저장 연구개발 센터" 연구팀은 싱가포르 난양(南洋) 이공(理工) 대학교, 미국 코넬 대학교(Cornell University), 베이징(北京) 항공항천(航空航天) 대학교 연구팀과 공동 연구를 실행하여 섬유 열적 인발(fibrous thermal drawing) 방법에 기반하고 레이저 재결정 효과(Laser recrystallization effect)를 발휘하는 일종 신형의 단결정 SnSe 열전기 섬유 제조 기술을 개발함으로써 고 품질의 단결정 플렉시블 열전기 섬유 제조에서 부딪친 난제를 해결하고, 섬유 단결정 소재의 대규모 성장을 실현함으로써 복잡하고 효율적인 열전기 단결정 섬유 및 직물(織物) 연구개발을 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

미래 플렉시블 웨어러블 열전기 섬유와 직물(織物)은 체열(體熱) 속에서 에너지를 수집하고, 인체와 외계 환경의 온도 차이를 이용하여 작은 파워를 사용하는 웨어러블 전자 설비에 전기를 공급하고, 열전기 냉각용 온도 제어를 이용하여 인체 온도의 쾌적성을 보장할 수 있게 됨.

연구팀은 관련 연구를 통해 일종 범용 가능한 레이저 열 효과에 기반 한 재결정 방법을 개발하여 미크론으로부터 나노 사이즈까지의 지름을 보유한 초장(超長) SnSe 단결정 섬유를 개발하였으며, 관련 실험을 통해 SnSe 단결정체는 일상적인 Pnma와 Cmcm 위상을 보유한 외, 안정적인 단결정 암염(岩鹽) Fm-3m 위상을 보유하고 있으며, 862K에 도달할 때 Fm-3m 위상의 단결정 SnSe 섬유의 ZT 수치는 2 수준에 달하여 다결정 SnSe 섬유의 ZT 수치를 대폭 초월하고, Cmcm 위상의 단결정 SnSe와 동일한 수준에 도달한다는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 고밀도 p 타입, n 타입 SnSe 마이크로/나노 와이어 배열의 단일 라인 열전기 섬유를 개발하고, 섬유 내 플렉시블 열전기 디바이스의 PN 구조를 실현함으로써 대 면적, 경질(輕質), 기체 관통, 고 성능 플렉시블 웨어러블 열 발전(發電) 직물(織物) 디바이스 개발을 위해 새로운 루트를 제공하였으며, 단결정 열 발전(發電) 섬유 직물(織物)이 인체와 환경의 온도 차이를 이용하여 지속적인 발전(發電)을 실현하는 개념을 데모하는데 성공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Single‐Crystal SnSe Thermoelectric Fibers via Laser‐Induced Directional Crystallization: From 1D Fibers to Multidimensional Fabrics") 지에 게재됨.