나노기술 및 정책 정보

• 목록

캘리포니아 대학교 로스엔젤레스(University of California, Los Angeles) 연구팀이 두께가 100 나노미터 (약 1 천분의 1 미터)인 열전 냉각기를 만드는 데 성공했으며 냉각 성능을 측정하기 위한 혁신적인 새 기술을 개발했음. 분명히 말하면, 이러한 소형 장치는 일상적인 의미에서 냉장고가 아님. 문이나 서랍이 없음. 그러나 더 큰 규모에서는 동일한 기술이 컴퓨터와 기타 전자 장치를 냉각하고 광섬유 네트워크의 온도를 조절하며 고급 망원경과 디지털 카메라의 이미지 "노이즈"를 줄이는 데 사용됨.

금속판 사이에 두 개의 서로 다른 반도체를 끼워 만든 이 장치는 두 가지 방식으로 작동함. 한쪽에 열이 가해지면 한쪽은 뜨거워지고 다른 쪽은 차갑게 유지됨. 그 온도차는 전기를 생산하는데 사용될 수 있음. 예를 들어 NASA의 Voyager 우주선의 과학 기기는 열을 생성하는 플루토늄을 감싼 열전 장치의 전기로 40 년 동안 동력을 공급 받았음. 미래에는 유사한 장치를 사용하여 자동차 배기가스의 열을 포획하여 에어컨에 전력을 공급할 수도 있음. 그러나 이 프로세스는 반대로 실행될 수도 있음. 기기에 전류가 가해지면 한쪽이 뜨거워지고 다른 쪽이 차가워져 냉각기 나 냉장고 역할을 할 수 있음. 확장된 이 기술은 언젠가 냉장고의 증기 압축 시스템을 대체하고 실제 탄산음료를 차갑게 유지할 수 있음.

열전 냉각기를 만들기 위해 6 명의 UCLA 학부생을 포함한 Regan의 팀은 텔루르화 비스무트와 텔루르 안티몬 비스무트라는 두 가지 표준 반도체 재료를 사용했음. 그들은 기존의 벌크 재료 덩어리에 일반 스카치 테이프를 붙였다 떼어 낸 다음 테이프에 붙어있는 재료에서 얇은 단일 결정 조각을 수확했음. 이 플레이크에서 그들은 두께가 100 나노미터에 불과하고 총 활성 부피가 약 1 입방 마이크로미터인 기능 장치를 만들었음. 열전 장치는 작은 크기, 움직이는 부품이 작고 높은 신뢰성 등의 장점으로 인해 틈새 응용 분야에 사용되었지만 기존 압축 기반 시스템에 비해 효율성이 낮아 기술의 광범위한 채택은 이루어지지 않았음. 간단히 말해, 더 큰 규모에서 열전 장치는 충분한 전기를 생성하지 못하거나 아직 충분히 차갑게 유지되지 않고 있음. 그러나 레건과 그의 팀은 나노구조(1 ~ 100 나노미터 범위의 최소 한 치수를 가진 장치)에 초점을 맞춰 더 나은 성능의 벌크 재료를 합성하는 새로운 방법을 발견하기를 희망함. 고성능 열전 냉각기의 재료에 대해 원하는 특성은 전기 전도성은 우수하지만 열전도율은 좋지 않은 것으로 이러한 특성은 거의 항상 상호 배타적임. 그러나 Regan의 팀이 만든 것과 같은 거의 2 차원 구조에서는 성공적인 조합을 찾을 수 있음. 연구팀의 나노 스케일 "냉장고"의 또 다른 특징은 거의 즉각적으로 반응할 수 있다는 것임. 열전 냉각기가 원자 수준이나 원자 수준에 가까운 수준에서 어떻게 작동하는지 이해하면 큰 성과가 있는 거시적 규모까지 확장할 수 있을 것으로 기대됨.

이러한 작은 장치에서 온도를 측정하는 것은 매우 어려운 일임. 광학 온도계는 작은 스케일에서는 분해능이 좋지 않고 스캐닝 프로브 기술에는 특수하고 값 비싼 장비가 필요함. 두 가지 접근 방식 모두 힘든 보정이 필요함. 2015 년에 Regan의 연구그룹은 투과전자현미경을 사용하여 밀도의 변화를 측정하여 나노 스케일의 온도를 결정하는 PEET (플라즈몬 에너지 팽창 온도계)라는 온도계 기술을 개발했음. 열전 냉각기의 온도를 측정하기 위해 연구진은 인듐 원소로 만들어진 나노 입자를 각각에 증착하고 특정 입자를 온도계로 선택했음. 팀이 쿨러에 적용되는 전력의 양을 변경함에 따라 장치는 가열 및 냉각되고 인듐은 이에 따라 팽창 및 수축되었음. 인듐의 밀도를 측정함으로써 연구자들은 냉각기에서 나노 입자의 정확한 온도를 결정할 수 있었음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ (“Electron-Transparent Thermoelectric Coolers Demonstrated with Nanoparticle and Condensation Thermometry”) 지에 게재됨