기계/재료

고성능 열전재료 체계 설계 및 합성 연구성과

발행일 : 2012 / 02 / 20

열전변환기술은 반도체재료의 열전(Seebeck)효과와 펠티에(Peltier)효과를 이용해 열에너지와 전기에너지와의 직접적인 상호 전환을 실현한 것으로, 공업여열과 자동차 배기가스 폐열 발전 등 분야에서 광범위하게 응용되는 기술이다. 열전변환기술의 에너지전환효율은 주로 재료 고유의 물리적 특성에 의해 결정되는데, 일반적으로 무차원 종합지수(ZT)로 가늠한다. 구체적으로 재료의 Seebeck계수, 전기전도율, 열전도율과 절대온도 등 요소에 의해 결정된다. 전통 고성능 열전에너지전환재료는 고체 결정화합물로서 연구자는 결정체중 우수한 전기전송성능을 유지하는 한편 다차원구조의 조절제어 등 수단으로 결정격자의 열전도율을 낮추는 방법으로 높은 열전기성능을 획득한다. 최근에는 skutterudite와 clathrate를 대표로 하는 케이지모양 화합물의 열전기성능 최적화 및 나노구조를 통한 결정격자의 열전도율 감소와 열전기성능 제고 연구에서 획기적인 성과를 올렸는데 열전기 최적수치는 1.5이상이다. 하지만 결정화합물중 격자 열전도율의 감소가 구조의 장범위배열(Long Range Ordering)의 제약을 받아 최저극한(최소 결정격자 열전도율)과 완전히 무질서한 유리상태와 비슷한 수준에 처하게 되면서 열전기성능의 최적화 공간을 제한하고 있다.

최근 중국과학원 상해규산염연구소의 스쉰(史迅)연구원, 천리둥(陳立東)연구원, 장원칭(張文淸)연구원, 쉬팡팡(許鈁鈁)연구원과 미국캘리포니아이공대의 G. Jeffrey Snyder박사, 미국 브룩헤이븐(Brookhaven) 국립연구소의 Qiang Li교수, 미시간대학 Ctirad Uher교수와 공동으로 고체재료에 ‘액체’특징을 지닌 이온을 도입하여 열전도율을 낮추고 열전기성능을 최적화하는 방법으로 결정격자 열전도율의 고체 유리거나 결정재료에서의 한계를 극복하였다. 연구팀은 ‘포논액체-전자결정체’특징을 지닌 전통 결정 열전화합물과는 완전히 다른 신규 열전기재료체계를 발견하였고 열전기재료의 설계이념을 확장하였다.

연구결과, 고온 안티형석구조의 반도체 셀렌화 dione (Cu2-xSe)화합물가운데 Se원자는 상대적으로 안정된 FCC 부격자(sub-lattice)구조를 형성할 수 있으며 Cu이온은 무작위로 Se 부격자 네트워크의 틈새위치에 분포되어 자유로이 이동한다. Se 부격자는 양호한 전기전송 통로를 제공하였고 ‘액체’특징을 지닌 자유로이 이동하는 Cu이온은 강열한 확산 결정격자 포논으로 포논의 평균 자유노정을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 일부 결정격자의 진동파 모델을 감쇠하였기에 재료의 격자 열용량을 줄였고 결정재료와 유리재료의 포논 열진동과 수송 제한을 극복하였다.

연구가운데 Cu2-xSe는 양호한 열전기성능을 나타내었고 성능 최적치 ZT는 1.5이상이었으며, 현재 발견한 고성능 결정 열전재료와 같은 수준이며, 또한 도핑최적화 등 수단을 통해 한층 더 높일 수 있다. 연구과정에서 제출한 ‘포논액체’개념은 많은 Cu와 Ag이온 등을 포함한 반도체 재료에서 발견한 전열수송행위 및 법칙을 해석 가능하고, ‘포논액체-전자결정’특징을 지닌 열전신소재체계를 도출할 가망성이 있으며, 신규 열전화합물의 모색 및 전통 열전재료성능의 최적화를 위해 새로운 방향과 경로를 제시하였다.

연구성과는 「Nature Materials」지에 발표되었고, 중국발명특허를 출원하였다. 논문 심사자는 “이 논문이 기존의 포논유리-전자결정’개념을 ‘포논액체-전자결정’까지 확장하여 열전재료의 연구방향을 위해 새로운 가능성을 제공하였고, 간단한 화학식, 결정셀과 경원소로 구성된 재료로 높은 열전성능을 실현함으로써 열전재료에 대한 전통적인 관념을 바꾸어 놓았다. 또한 Cu2-xSe 신규 체계에서 보도한 고성능은 매우 흥미로운데 연구자들에게 전통열전재료보다 훨씬 우수한 성능의 신소재를 구상하도록 유도하였다는 점과 이러한 신소재의 발견이 해당연구 분야의 발전을 유력하게 추진할 것이다”고 높이 평가하였다.

정보출처 : 중국과학원 상해규산염연구소