나노기술 및 정책 정보

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_​중국과학원 허페이(合肥) 물질과학 연구원 산하 고체물리 연구소 연구팀이 황동광(黃銅鑛, copper pyrites) 재료 시스템의 열전 성능 최적화 기술 개발에 성공함.

황동광(黃銅鑛, copper pyrites) 구조를 보유한 재료 시스템에 속하는 CuGaTe₂등은 비교적 높은 역률(power factor)을 보유하고 있기 때문에 과학기술 연구 인원들의 많은 주목을 받고 있는 상황이지만 자체적으로 비교적 높은 결정격자 열전도율을 보유하고 있기 때문에 동 시스템은 열전 성능 향상을 제한하고 있는 단점을 보유하고 있음. 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 Ag, In 합금화가 p형 의사입방정(pseudocubic) 구조의 CuGaTe₂재료에 다양한 성분 도메인 구조(domain structure)를 도입하여 재료 중 포논(phonon) 이동을 억제하였으며, 동시에 열기전력(thermal electromotive force)을 뚜렷하게 강화시키고 열전도율을 대폭 감소시킨 동시에 비교적 높은 역률(power factor)을 보유할 수 있도록 함으로써 열정성능을 대폭 향상시켰는데(ZT=1.64@873K), 지금까지 보도된 중에서 최고 수치에 도달한 것으로 나타났음. 열전재료를 핵심부품으로 하는 열전 디바이스는 열에너지와 전기 에너지를 직접 전환할 수 있고 움직이는 부품(moving parts)이 필요 없으며 소음 오염이 없고 그 어떤 독성이나 온실 가스를 배출하지 않는 특징을 보유하고 있음. 연구팀은 동 재료 시스템과 초기 연구를 기반으로 하여 CuGaTe₂에 등전자(isoelectronic) 원소인 In과 Ag를 도입하고 복잡한 나노 사이즈 변형 도메인 구조를 보유하고 있는 다양한 성분 합금화합물 시스템인 Cu_1-xAg_xGa_0.4In_0.6Te₂ (0≤x≤0.4)를 개발하는데 성공하였음. 개선한 후의 황동광 화합물 ZT 최고 수치와 온도(300-873K) 구간 평균 수치는 각각 순수 위상 CuGaTe₂의 ZT 수치보다 약 37％와 35％ 향상된 것으로 나타났음. 이런 결과는 황동광 화합물에서 등전자 원소 합금화 및 나노 사이즈의 도메인 구조는 효과적으로 열전도율을 억제할 수 있고 열전 성능을 뚜렷하게 향상시킬 수 있다는 점을 입증함.

연구팀의 이번 연구는 향후 미시적 구조 디자인과 구축을 실행하는 과정에서 기타 관련 재료 시스템의 열전 성능 향상에 필요한 중요한 근거를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’에 게재됨.