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열을 전기로 바꾸는 소재



(Scanning transmission electron microscope image of a nickel-platinum composite material created at The Ohio State University. At left, the image is overlaid with false-color maps of elements in the material, including platinum (red), nickel (green) and oxygen (blue). Credit: Imaging by Isabel Boona, OSU Center for Electron Microscopy and Analysis; Left image prepared by Renee Ripley. Courtesy of The Ohio State University. )​
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 현재의 발전소나 내연 기관은 열에너지 -> 운동에너지 -> 전기 에너지 형태로 전기를 생산합니다. 하지만 이 과정에서 대부분의 열에너지는 운동에너지나 전기에너지로 전환되기 보다는 폐열의 형태로 버려집니다. 그리고 이 열을 처리하기 위해서 별도의 냉각장치가 필요합니다. 사실 우리는 열에너지를 매우 비효율적으로 사용하고 있습니다.
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 따라서 많은 연구자들이 버려지는 폐열을 이용한 발전 방식을 연구해왔지만, 현재까지는 난방용 등 다른 용도로 쓰는 것 이외에 비용 효과적인 폐열 사용 방식은 거의 없다고 해도 과언이 아닙니다. 이 열에너지를 회수하기 위해서 많은 시도가 이뤄지는 부분이 바로 열전효과를 이용한 것입니다. 
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 독일의 물리학자 제벡(seebeck)은 1821년 서로 다른 두 금속을 붙이고 회로를 만든 다음 양쪽의 온도를 다르게 하면 전기가 흐른다는 사실을 발견했습니다. 이 효과를 제벡 효과라고 부르며 실제 우리 주변 전자기기에 알게 모르게 이를 이용한 장치가 들어가 있습니다. 하지만 얻어지는 전기의 양의 얼마되지 않다보니 실제로 발전용으로 사용하는 경우는 매우 제한적입니다.
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 만약 열에너지를 효과적으로 전기에너지로 변형시킬 수 있는 물질이 있다면 아주 쉽게 폐열을 전기로 전환해 발전기나 내연 기관의 효율을 높일 수 있습니다. 더구나 움직이는 부분도 없기 때문에 오랜 시간 반영구적으로 사용이 가능합니다. 이런 이유로 쉽지는 않지만, 많은 과학자들이 더 효과적인 열에너지 전환 물질 개발에 매달리고 있습니다.
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 오하이오 주립대학의 연구팀은 2012년 니켈과 백금을 이용한 나노 입자의 얇은 필름으로 열에너지를 전기로 바꾸는 물질을 저널 네이처에 발표한 바 있습니다. 이 물질의 에너지 전환 효율은 나쁘지 않았지만, 얻어지는 전력이 나노볼트 단위로 매우 낮은 문제가 있습니다.
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 연구팀은 백금 나노 입자를 니켈 합금 전체에 분포시키는 새로운 방법으로 이전보다 10배 이상의 전압을 확보할 수 있는 방법을 개발했습니다. 여전히 상용화를 위해서 갈 길은 멀지만, 열기전력을 이용한 사용 발전 시스템 개발에 한 단계 더 가까이 간 것으로 평가할 수 있습니다.
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 많은 주목을 받지는 못하지만, 차세대 열전소자 개발은 여러 분야에서 새로운 혁신을 불러일으킬 것입니다. 앞으로 좋은 소식이 들리기를 기대해 보겠습니다.
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 참고
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Stephen R. Boona et al. Observation of spin Seebeck contribution to the transverse thermopower in Ni-Pt and MnBi-Au bulk nanocomposites, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms13714
C. M. Jaworski et al. Giant spin Seebeck effect in a non-magnetic material, Nature (2012). DOI: 10.1038/nature11221


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