나노기술 및 정책 정보

• 목록

독일 마인츠 요하네스 구텐베르크 공대 및 에얼랑엔-뉘른베르트 대학연구진, 단일이온-나노-열 엔진 연구개발

□ 선정 사유

○ 독일 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학과 에어랑엔-뉘른베르크 대학의 연구진이 단일 이온으로 구성된 나노-열 엔진(Nano heat engine을 연구개발 하였으며 이러한 열 엔진은 약 자동차 한 대의 엔진과 같은 높은 효율성을 나타내는 특징을 지니고 있다.

○ 열 엔진은 열을 사용 가능한 역학적 에너지로 변환 시키며 가솔린 엔진과 같은 경우 효율성이 약 25%인데 반해 단일 칼슘 이온으로 구성된 나노-열 엔진은 현저히 높은 효율성을 자랑한다.

○ 이번 연구개발을 통해 연구진은 무엇보다 매우 작은 규모에서의 열역학 이해가 가능하게 되었으며 단일-이온-열 엔진의 첫 번째 프로토타입을 완성 하였다.

□ 개요

○ 단일 칼슘 이온으로 이루어진 고효율 나노-열 엔진의 연구개발 및 첫 번째 프로토타입 개발

□ 주요내용

○ 1824년 프랑스의 물리학자 사디 카르노가 연구한 열역학 분야의 카르노 한계 이론의 열효율 최대 한계를 넘어서는 단일-나노 열엔진이 연구개발 되었으며 첫 번째 프로토타입이 연구개발 되었다.

○ 이 단일-나노 열 엔진에는 단일 칼슘-40-이온이 사용되었으며 기본적으로 이 이온은 일반 엔진에서 피스톤과 크랭크 샤프트의 역할을 한다.

○ 단일 이온이 폴 트랩(Paul trap)에 포획이 되면 레이저광선과 전기장을 통해 이 이온은 냉각 되거나 가열 될 수 있을 뿐 아니라 압착까지 되어 질 수 있어 최적의 효율을 위한 맞춤 펄스-고정- 분배(pulse-stationary-distribution)가 가능하다.

○ 이 단일-나노 열 엔진이 기존의 열 엔진의 카르노 한계를 초과 하는 것은 열역학 제 2법칙을 거스르는 것이 아니며 오히려

특수하게 조정된 비열 열 저장소(heat-bath)의 사용은 효율의 개선을 가능케 한다.

○ 단일-이온-열 엔진의 기계적 성능이 낮기 때문에 나노시스템의 가열과 냉각에 응용 가능성이 있다.

□ 시사점/기대효과

○ 단일 이온의 압착은 높은 효율성을 이끌어 내며 이는 보다 효율적인 나노 열 엔진 연구개발에 가능성을 높여줄 것으로

기대 된다.