메뉴바로가기본문바로가기

동아사이언스

[한 토막 과학상식]열을 전기로 바꾸는 '하프호이즐러 합금'

통합검색

[한 토막 과학상식]열을 전기로 바꾸는 '하프호이즐러 합금'

2020.11.11 17:40
KAIST-경북대 연구팀, 성능 높이는 제조법 개발
최벽파 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀은 이승훈 경북대 교수와 공동으로 하프 호이즐러 열전재료의 나노구조를 제어하는 새로운 방법을 개발했다. KAIST 제공
최벽파 KAIST 신소재공학과 교수(왼쪽) 연구팀은 이승훈 경북대 교수와 공동으로 하프 호이즐러 열전재료의 나노구조를 제어하는 새로운 방법을 개발했다. KAIST 제공

열전소자는 열전소재를 이용해 열에너지를 전기로 변환하는 소자다. 소자 양끝에 온도차가 생기면 내부 전하가 이동하면서 전기를 만든다. 열전소재는 소자 양단의 온도차를 오래 유지하면서 전하가 잘 이동해야 유리하다. 열 전도도는 낮은 대신 전기 전도도는 높을수록 열을 전기로 바꾸는 성능이 높아진다.

 

최근 열전재료로 각광받는 물질 중 하나가 하프 호이즐러 물질이다. 호이즐러 물질은 합금의 일종으로 스스로 자기장을 띄는 ‘강자성’이 없는 금속을 합금해 강자성을 내는 합금을 이른다. 원소들이 특정 격자구조를 이루면서 보이는 특성이다. 하프 호이즐러는 격자구조에서 일부 원소가 있어야 할 자리에 없고 비어 있는 구조를 띤다. 하프 호이즐러는 열 안정성과 기계적 특성이 우수하면서 온도차를 전력으로 변환하는 ‘제백 계수’도 높다. 독성이 없고 지구에 풍부하게 매장된 원소를 활용할 수 있는게 장점이다.

 

최벽파 KAIST 신소재공학과 교수 연구팀은 이승훈 경북대 신소재공학과 교수와 공동으로 하프 호이즐러 열전소재의 나노구조를 제어해 합금 성능을 높이는 제조법을 개발했다고 이달 11일 밝혔다.

 

하프 호이즐러는 열전도도가 높아 열전성능이 낮은 게 단점이다. 열 전도도를 낮추려면 열에 의해 내부에 만들어지는 ‘포논’이라는 입자의 산란을 높이면 된다. 다른 상의 경계를 만들면 산란이 일어나기 때문에 기존에는 하프 호이즐러 합금을 제조하고 물리적으로 부순 뒤 다시 가열해 굳히는 방법을 써왔다. 하지만 나노결정 크기를 조절하기 어렵고 복잡한 구조를 갖추기도 힘들어 열전도도를 많이 떨어트리기는 어려웠다.

 

KAIST 제공
연구팀은 하프 호이즐러 사이에 풀 호이즐러가 섞이도록 하는 새로운 구조를 개발했다. 연구팀이 개발한 나이오븀(Nb)와 코발트(Co), 주석(Sn) 호이즐러 합금에서 코발트(오른쪽 아래 노란색 원소)가 부족하면 하프 호이즐러, 다 갖춰지면 풀 호이즐러가 된다. KAIST 제공

연구팀은 다른 상의 경계를 늘리기 위해 비정질 결정화 방법을 활용했다. 비정질은 고체나 액체, 기체와 달리 불안정한 상을 가진 상태다. 열을 가하면 쉽게 상변화된다. 이때 열처리 온도를 바꾸면 나노결정 크기와 상을 바꿀 수 있다.

 

연구팀은 급속냉각 공정을 활용해 나이오븀(Nb)와 코발트(Co), 주석(Sn)으로 구성된 비정질 하프호이즐러를 만들고 저온에서 짧은 기간 열처리했다. 그 결과 하프호이즐러 물질 내부에 풀호이즐러 합금이 존재하는 복잡한 구조를 만들어냈다. 최 교수는 “하프호이즐러 중간 풀호이즐러가 존재하면 포논이 결정구조를 통과하기 더 어렵게 된다”고 말했다.

 

최 교수는 “이번 연구에서 새롭게 제안된 방법을 활용해 만든 열전재료는 기존 대비 복잡한 나노구조를 갖고 있다”며 “3배 이상의 열전도도 감소 와 함께 열전발전 성능도 획기적으로 증가하는 효과가 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 

연구결과는 지난달 20일 국제학술지 ‘나노 에너지’에 실렸다.

관련 태그 뉴스

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글 0

4 + 3 = 새로고침
###
    과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기