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2018년 1월 21일 일요일

고효율 열전소자에 도전하다



(MIT researchers, looking for ways to turn heat into electricity, find efficient possibilities in certain topological materials. Credit: Christine Daniloff/MIT)


 열에너지를 전기에너지로 바꾸거나 반대로 전기에너지로 열을 이동시키는 열전효과 (Thermoelectric effect)는 여러 분야에 사용되고 있습니다. 예를 들어 온도계나 혹은 미니 냉각 장치에 사용되는 열전소자들이 그것입니다. 하지만 많은 도전에도 불구하고 이를 발전용이나 냉각용으로 사용하려는 시도는 큰 성과를 보지 못하고 있습니다. 


 만약 열전소자를 이용해서 상업 발전을 할 수 있다면 움직이는 부분이 없기 때문에 매우 조용하고 내구성이 좋은 발전기를 만들 수 있습니다. 또 상대적으로 적은 열 차이에도 발전이 가능하기 때문에 발전소에서 나오는 폐열이나 내연기관의 폐열을 전기로 바꿔 효율을 더 높일 수 있습니다. 반대로 매우 작고 소음이 없는 에이컨이나 냉장고가 가능해질 수 있습니다. 

  
 하지만 열전소자에는 큰 문제가 있습니다. 열과 전기 모두 전환할 수 있는 양이 얼마되지 않는다는 것이죠. 따라서 대부분의 응용분야는 많은 양의 열과 전기 에너지를 처리하는 분야가 아닌 저전력, 소규모 냉각 등입니다. 


 MIT의 연구팀은 위상 물질 ("topological" materials)을 사용해 열전소자의 효율을 3배로 높이는 데 성공했습니다. 이들이 저널 PNAS에 발표한 내용에 따르면 매우 얇은 텔루르 (telluride) 열전소자가 기존의 전통적인 열전소자보다 훨씬 좋은 효과를 거둘 수 있다고 합니다. 

  
 열전소자에 열을 가하면 온도가 높은 곳에 있던 전자가 낮은 곳으로 방출되는 현상이 일어납니다. 하지만 기존의 결정(crystal) 물질의 경우 각 결정이 일종의 장벽 역할을 해서 전자가 자유롭게 이동하지 못하도록 막기 때문에 그다지 효율이 좋지 못합니다. 하지만 텔루르 위상 물질은 상대적으로 전자를 쉽게 통과시킨다고 합니다. 


 더 나아가 텔루르 열전소자의 크기를 작게 줄여 10nm의 미세 나노 입자로 만들면 효율성이 3배나 높아진다고 하네요. 물론 고가의 물질을 사용한다는 점에서 아직 갈 길이 멀긴 하지만, 위상 물질 소재가 고효율 열전소자 개발에 실마리를 제시할 수 있다는 점에서 흥미로운 결과입니다. 


 더 값싸고 흔한 소재로 고효율 열전소재를 만들 수 있다면 체온으로 작동하는 웨어러블 기기나 뜨거운 물만 부으면 충전이 되는 머그컵 같은 응용도 가능할 것입니다. 물론 가장 큰 응용 분야는 폐열을 이용해서 발전소의 에너지 전환 효율을 크게 높이거나 혹은 공장 등에서 버려지는 열을 전기로 변환하는 것입니다. 


 앞으로 여러 가지 기술적 어려움을 극복하고 새로운 소재가 개발되기를 기대해 봅니다. 



 참고 


Te-Huan Liu el al., "Electron mean-free-path filtering in Dirac material for improved thermoelectric performance," PNAS (2018). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1715477115 


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