고효율 황화물 열전재료의 개발

전문가 제언

○ 재료의 양단에 온도차가 존재하면 기전력이 발생하는 열전재료의 Seebeck 효과를 이용하는 열전발전은 작동부분이 없어 구조가 간단하고 각종 열기관이나 산업 폐열 등 다양한 열원을 이용할 수 있다. 그러나 열전재료의 열→전기 변환효율이 낮기 때문에 주로 위성용이나 군사용 전원과 같은 특수용도의 소형발전기에 이용이 제한되어 왔다.

○ 실용되고 있는 열전재료에는 200℃이하의 저온용으로 Bi계 Tellurides, 300～500℃의 중온용으로 Pb계 및 Ge계 Tellurides, 500℃이상의 고온용으로 Fe-Si와 같은 Silicides가 있다. 이들 재료의 성능지수(ZT)는 1950년대 후반에 ZT가 가장 높은 Bi2Te3가 개발된 이래 ZT=1.0의 벽을 넘지 못하다가 2000년 이후에 나노구조 제어, 차원제어 등 재료기술의 진보에 의하여 ZT=1.0~1.5를 달성한 연구사례가 보고되고 있다.

○ 열전재료에는 주로 고용체 합금이나 금속간화합물이 이용되어 왔으나 최근 고차구조를 갖는 새로운 열전재료로가 다수 출현하고 있다. 예를 들면 Bi2Sr2Co2Oy, Ca3Co4O9 등의 산화물계 재료, CeFe3.5Co0.5Sb12로 대표되는 Skutterudite화합물, Ba8Si46조성의 Clathrate화합물, (Zr, Hf, Ti)NiSn계의 Half-Heusler계 화합물 등에서 높은 성능지수가 보고되어 새로운 열전재료로 부각되고 있다.

○ 본고에서 소개하고 있는 황화물계 재료에서는 희토류 원소의 vacancy점유에 의한 자기 도핑 효과(n형)와 가전자수의 최적화(p형)에 의하여 열전특성을 제어하고 있다. 성능지수는 ZT=0.4~0.5 수준으로 그리 높지는 않으나 953K의 고온에서 실용재료인 Pb-Te계 재료에 필적하는 성능을 갖는 점은 평가할 만하다. 그러나 실용화에는 정밀한 조성제어에 의한 성능 개선과 함께 황화물의 열적 안정성에 대한 검증이 필요하다.

○ 국내에서는 「차세대 열전반도체 고차나노구조 소재기술」이 국가과제로 추진되고 있다. 핵심과제로서는 나노구조형성에 의한 격자구조 제어기술, 미립자 합성 및 전자이동 제어기술, 전하/포논 제어기술, 열전도 제어기술 등이 연구되고 있어 고성능 재료설계의 가능성이 기대된다.

저자

Michihiro Ohta

자료유형

학술정보

원문언어

일어

기업산업분류

재료

연도

2010

권(호)

49(10)

잡지명

まてりあ（日本金屬學會會報)

과학기술
표준분류

재료

페이지

477~481

분석자

심*동

분석물

• 고효율 황화물 열전재료의 개발.pdf [380,901 byte]

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