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열을 전기로 변환하는 하프호이즐러 물질의 나노구조 제어 성공
열을 전기로 변환하는 하프호이즐러 물질의 나노구조 제어 성공
  • 방완재
  • 승인 2020.11.11 13:05
  • 댓글 0
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- KAIST 신소재공학과 최벽파 교수 연구팀, 더욱 복잡하고 세밀한 나노구조
형성을 통해 열전도도는 극소화, 열전성능은 획기적으로 증대시킨 새로운 방법 개발
하프호이즐러 (half-Heusler) 열전재료의 제조과정을 나타내는 모식도. 캐스팅-볼밀링-소결 방법을 활용한 기존 연구방법 (위) 이번 연구에서 제안된 급냉공정을 활용하여 준 안정상을 만든 뒤 간단한 열처리를 통한 새로운 방법 (아래)
하프호이즐러 (half-Heusler) 열전재료의 제조과정을 나타내는 모식도. 캐스팅-볼밀링-소결 방법을 활용한 기존 연구방법 (위) 이번 연구에서 제안된 급냉공정을 활용하여 준 안정상을 만든 뒤 간단한 열처리를 통한 새로운 방법 (아래)
3차원 원자탐침현미경 (APT)과 투과전자현미경 (TEM)을 활용한 풀호이즐러 (full-Heusler) 석출물의 분석. APT 팁의 (a) 전자회절 패턴과 (b) STEM 이미지. APT 분석을 통한 다양한 형상과 크기를 가진 풀호이즐러 (full-Heusler) 석출물. (d, e) STEM 분석을 통한 풀호이즐러 석출물의 결정구조 분석.
3차원 원자탐침현미경 (APT)과 투과전자현미경 (TEM)을 활용한 풀호이즐러 (full-Heusler) 석출물의 분석. APT 팁의 (a) 전자회절 패턴과 (b) STEM 이미지. APT 분석을 통한 다양한 형상과 크기를 가진 풀호이즐러 (full-Heusler) 석출물. (d, e) STEM 분석을 통한 풀호이즐러 석출물의 결정구조 분석.

국내 연구진이 하프호이즐러 열전재료의 나노구조를 제어하는 새로운 방법을 개발했다. 이 방법을 이용한 결과 기존방법 대비 열 전도도는 3배 이상 감소해 열전성능의 획기적인 증대가 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 신소재공학과 최벽파 교수 연구팀이 경북대 이승훈 교수(신소재공학과) 연구팀과 공동연구를 통해 *준 안정상을 활용, *하프호이즐러 *열전재료의 나노구조를 제어하는 새로운 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.
☞ 준 안정상(metastable phase): 어떤 물질의 가장 안정한 상(고체, 액체, 기체 등)은 아니지만 꽤나 안정
   하여 유지되는 상.
☞ 하프호이즐러(half-Heusler) 화합물: 금속 간 화합물(합금)의 일종으로 열전발전, 태양광 발전, 자성재료
   등의 에너지 재료로 각광을 받는 물질.
☞ 열전발전: 온도 차에 의해 생긴 전위차를 이용해 전기를 생산하는 발전방식.

열전 소자는 열에너지를 전기로 직접적으로 변환시키는 에너지 소자다. 소자의 양단에 온도 차가 존재할 때 내부의 전하가 이동함으로써 전기를 발생시킨다.

좋은 열전재료가 되기 위해서는 소자 양단의 온도 차는 오래 유지돼야 하고 전하는 잘 이동해야 하므로 열전도도는 낮아야 하고 전기 전도도는 높아야 한다.

다양한 열전재료 중 하나인 하프호이즐러 물질은 폐열(에너지의 생산, 소비 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 열)이 풍부하고 중온 영역(300~800℃)에서 높은 효율의 열전발전이 가능하다. 특히 열 안정성과 기계적 특성(강도)이 우수하고 높은 제벡 계수(온도 차이를 전력으로 변환하는 정도)와 출력 계수를 지니고 있는데 독성이 없고 지구에 풍부하게 매장된 원소로 이뤄져 있다. 하지만 상대적으로 높은 열전도도로 인해 낮은 열전성능을 갖는다는 점이 약점이다.

열 전도도를 낮추기 위해서는 포논(입자)의 산란을 극대화해야 하는데 이를 위해서는 서로 다른 상의 경계를 만든 후 나노 결정화를 통해 달성할 수 있다. 이 때문에 기존에는 하프호이즐러 합금을 제조한 뒤 물리적으로 파쇄해 나노분말을 제조하고 이를 가열해 굳히는 방법을 사용해왔다. 하지만 이 방법은 나노결정의 크기 제어는 물론 복잡한 미세구조 형성이 어렵기 때문에 열전도도를 획기적으로 감소시키기는 매우 어렵다.

최 교수 연구팀은 문제해결을 위해 준 안정상(비정질)의 결정화 방법을 활용했다. 준 안정상은 안정상에 비해 상대적으로 덜 안정한 상을 의미하는데 열처리를 통해 안정상(고체, 액체, 기체 등)으로 쉽게 상변화를 일으킬 수 있다. 이때, 열처리 온도에 따라 준 안정상(비정질)의 결정화 거동은 다양하게 변화하고 이를 이용해 나노결정의 크기와 상을 제어할 수 있다.

구체적으로 연구팀은 급속냉각 공정을 이용해 하프호이즐러(NbCo1.1Sn) 조성을 가진 비정질(준 안정상)을 제조한 뒤 비교적 저온에서 짧은 열처리를 통해 하프호이즐러 물질 내부에 풀호이즐러(NbCo2Sn) 나노 석출물이 존재하는 복잡한 나노구조를 만들었다.
최 교수 연구팀이 새로 개발한 이 방법은 기존의 방법과는 달리 고온에서의 장시간의 열처리가 필요 없으므로 쉽고 경제적이면서도 더욱 복잡하고 세밀한 나노구조의 형성이 가능하다.

연구팀은 특히 이번 연구에서 3차원 원자 탐침 현미경(Atom probe tomography)과 투과 전자 현미경(Transmission electron microscope)을 활용했는데 하프호이즐러 물질 내부에 존재하는 수 나노미터의 풀호이즐러 석출물의 존재를 규명하는 데도 성공했다.

최벽파 교수는 "이번 연구에서 새롭게 제안된 방법을 활용해 만든 열전재료는 기존 대비 복잡한 나노구조를 갖고 있어 3배 이상의 열전도도 감소 와 함께 열전발전 성능도 획기적으로 증가하는 효과가 있을 것으로 기대된다ˮ고 말했다.

KAIST 신소재공학과 정찬원 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지인 `나노 에너지(Nano Energy, IF: 16.602)' 10월 20일 字 온라인 판에 실렸다. (논문명: Tailoring nanostructured NbCoSn-based thermoelectric materials via crystallization of an amorphous precursor)

한편 이번 연구는 한국연구재단 과학기술 분야 기초연구사업인 기초연구실지원사업 (중온(300-800 ℃) 작동형 합금 기반 half-Heusler계 고성능/고강도 열전소재 개발)의 지원을 통해 수행됐다.

□ 연구개요
1. 연구 배경
중온영역 (300-800℃) 에서 높은 효율의 열전발전이 가능한 것으로 알려진 하프호이즐러 (half-Heusler) 물질은 열 안정성과 기계적 특성(강도)이 우수하고 높은 제벡계수와 파워팩터를 가진 것으로 알려졌으며 독성이 없고 지구에 풍부하게 매장된 원소로 이루어져 있다는 장점으로 많은 연구가 진행되고 있지만 상대적으로 높은 열전도도로 인하여 활용이 제한되어 왔다.
열전도도를 낮추기 위해서 기존 연구자들은 하프호이즐러 (half-Heusler) 합금을 제조한 뒤 물리적으로 파쇄 하여 나노분말을 제조한 뒤 이를 소결시키는 방법을 사용하였다. 하지만 기존방법으로는 나노결정의 크기제어와 복잡한 미세구조 형성이 어려워 열전도도의 획기적인 감소를 달성하는 것이 제한되어왔다. 따라서 본 연구에서는 나노결정의 크기제어와 하프호이즐러 (half-Heusler) 물질 내에 풀호이즐러 (full-Heusler) 석출물이 형성된 복잡한 미세구조를 형성시키고자 하였다.

2. 연구 내용
연구팀은 이러한 문제해결을 위해 준안정상의 결정화를 활용하였다. 준안정상은 안정상에 비해 상대적으로 덜 안정한 상을 의미하는데 안정상으로 쉽게 상변화를 일으킬 수 있다. 이를 활용하기위해 연구팀은 먼저 급속냉각 공정을 이용하여 NbCoSn 하프호이즐러 (half-Heusler) 조성의 비정질합금을 제조한 뒤 비교적 저온에서 짧은 열처리를 통하여 하프호이즐러 (half-Heusler) 내부에 풀호이즐러 (full-Heusler) 나노석출물이 존재하는 복잡한 나노구조를 만들었다. 특히, 연구팀은 3차원 원자탐침 현미경 (Atom probe tomography)과 투과 전자 현미경 (Transmission electron microscope)을 활용하여 NbCoSn 하프호이즐러 (half-Heusler) 물질 내부에 존재하는 수 나노미터의 NbCo2Sn 풀호이즐러 (full-Heusler) 석출물의 존재를 증명하였다.


3. 기대 효과
새로운 방법을 활용하여 만든 열전재료는 기존의 방법을 통하여 만든 재료에 비해 더욱 복잡한 나노구조로 이루어졌으며 이로 인하여 3배 이상의 열전도도 감소효과가 있는 것으로 확인되었다. 따라서 열전도도의 감소로 인하여 열전성능의 획기적인 증가를 가져올 것으로 기대되며 더 나아가 다양한 조성의 하프호이즐러 (half-Heusler) 열전재료를 만드는 것에 새로운 방법의 응용이 가능할 것으로 기대한다.


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