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열전 소재란 무엇인가요?
열전 소재는 열을 전기 에너지로 직접 변환할 수 있습니다.
이 속성은 시벡 효과를 기반으로 하며, 재료에 가해지는 온도 차이가 전압을 발생시킵니다.
그 반대는 일반적으로 냉각에 사용되는 펠티에 효과입니다.
세 번째 열전 효과는 톰슨 효과로, 온도 구배가 존재하는 전류 전달 도체를 따라 열이 이동하는 것을 설명합니다.
열에너지를 직접 사용할 수 있기 때문에 열전 소재는 연구와 개발의 초점이 되고 있습니다.
한편으로는 1차 에너지원에서 전기 에너지를 생산하는 데 사용할 수 있고, 다른 한편으로는 폐열에서 전기를 생산하여 화석 연료 자원을 보존하고 동시에 CO2 배출을 줄일 수 있습니다.
시벡 효과에 의해 유도되는 전기 전압은 매우 작기 때문에(보통 수~수백 μV/K), 개선된 열전 소재를 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다.
고전적인 열전 재료는 반도체 및 반도체 그룹(주기율표의 주 원소군 IV~VI)에 속하거나 이러한 그룹의 재료의 합금으로, 특히 시벡 계수가 높기 때문입니다.
시벡 효과는 도핑을 통해 더욱 증가시킬 수 있습니다.
장점이란 무엇인가요?
일반적으로 장점 수치는 대안과 비교하여 재료, 방법 또는 장비의 적합성을 측정하는 척도입니다.
열전 “ZT” 는 열전 소재의 적합성을 나타내며 다음과 같이 정의됩니다:
방정식 1
열전 소재는 열전도율이 낮고 높은 전기 전도성 뿐만 아니라 가능한 한 큰 시벡 계수를 가져야 합니다. 열전도율이 높은 재료는 큰 온도 변화를 허용하지 않으며, 전기 전도율이 낮으면 유용한 전류를 얻을 수 없습니다.
또한, 장점과 온도 차이는 열전 소자의 효율 η와 직접적인 관련이 있으므로 ZT와 ΔT가 큰 값을 가지면 이 수치가 증가합니다.
방정식 2
열전 재료의 최적화
다양한 종류의 소재가 다양한 강도의 열전 효과를 나타냅니다.
오랫동안 1이 최대값으로 여겨졌지만, 오늘날 일부 최적화된 소재는 약 2 이상의 값을 달성합니다.
방정식 1에서 볼 수 있듯이 ZT를 높이는 방법에는 역률 S2σ를 최대화할 수 있거나 열 전도성 를 최소화할 수 있습니다. 이를 위해 도핑 등을 통해 기존 소재를 개선하거나 새로운 소재를 개발합니다. 후자는 예를 들어 나노 구조화를 통해 달성할 수 있는데, 이는 역률에 큰 영향을 주지 않으면서 열전도율을 크게 낮출 수 있기 때문입니다. 열전 소재가 산업에서 사용되는 경우 비용, 독성 및 소재의 가용성이 주요 고려 사항입니다.
공적 인물 측정
열전 수치를 결정하는 데는 다양한 방법을 사용할 수 있습니다.
- 먼저 개별 파라미터(Seebeck 계수, 전기 및 열 전도도)를 측정하고 방정식 1에 따라 ZT를 계산할 수 있습니다.
- 반면에 Harman 방법을 사용하여 ZT를 직접 결정할 수도 있습니다.
1. 방정식 1의 계산
열전도율은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:
이러한 모든 변수는 온도에 따라 달라집니다.
따라서 장점 수치를 계산하기 위해서는 총 5개의 (온도에 따라 달라지는) 변수를 결정해야 합니다. 오류 분석은 문헌 [1]에서 확인할 수 있습니다.
2. 하만 방식으로 결정
하만 방법을 사용하면 장점의 수치를 직접 측정할 수 있습니다. 이는 단열 조건에서 막대 모양의 샘플에 작은 전류를 통과시킴으로써 달성됩니다. 관찰된 전압 강하는 옴(UR; 전기 저항)과 시벡 효과로 인한 열전기 성분(Uth; 열 전압)으로 구성됩니다. 자연적으로 발생하는 옴 성분과 달리 Seebeck 효과로 인한 성분은 천천히 축적됩니다:
장점의 수치는 두 구성 요소를 나누어 얻습니다:
방정식 4
문학:
[1] A. Alleno 외, 측정의 불확실성에 대한 라운드 로빈 테스트. Co0.97Ni0.03Sb3의 열전 무차원 장점 수치, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 86, 011301 (2015).
[2] T.C. Harman, 응용 물리학 저널 29, 1373 (1958).
[3] T. C. Harman, J. H. Cahn, and M. J. Logan, J. Appl. Phys. 30(9), 1351 (1959).
