학문
나노구조열전소재의 모듈화가 어려운 이유가 무엇인가요?
나노기술을 도입한 열전소재는 효율이 높지만 아직 상용화되지 못하고 있습니다. 나노구조열전소재의 모듈화가 어려운 이유가 무엇인가요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
나노구조 열전소재의 모듈화는 고온에서 나노구조가 무너지는 열적 불안정, 전극 접합부의 접촉저항,열팽창 문제, 전기적 trade-off, 대량 생산의 균일성 부족, 스케일업 시 효율 저하라는 복합적인 난제 때문에 아직 상용화가 어렵습니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
열전 모듈은 p형과 n형 소재 조각 수십에서 수백 개를 금속 전극으로 번갈아 이어 세라믹 판 사이에 끼워 만들어요.
먼저 열에 약해요. 나노 결정립이나 나노 석출물은 포논을 흩뜨려 열전도도를 낮추는데, 수백 도의 고온 쪽에서 오래 쓰면 원자가 움직이며 작은 알갱이가 큰 알갱이에 흡수돼 점점 굵어져요. 그러면 나노 구조가 사라지면서 효율도 서서히 떨어져요.
전극과 붙이는 접합부도 어려워요. 땜납이나 전극 금속이 소재 안으로 확산해 성질을 바꾸지 않도록 확산 방지층을 넣어야 하고, 접촉 저항이 크면 짧은 소재 조각에서 얻은 전기를 그 자리에서 잃어요. 열팽창 계수가 전극과 달라 켜고 끌 때마다 응력이 쌓이고, 나노구조 소재는 잘 부서지는 편이라 균열이 생기기 쉬워요.
실험실에서는 작은 시편으로 높은 효율을 내도, 같은 품질의 p형과 n형을 대량으로 균일하게 만드는 공정이 아직 갖춰지지 않은 경우가 많아요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
나노구조 열전소재의 모듈화가 어려운 핵심 이유는 포논 산란으로 열전도도를 낮추는 동시에 전하 캐리어 이동도까지 저하시켜 고효율 전력 인자를 유지하기 어렵고 고온 구동 시 나노입자의 응집과 결정립 성장으로 미세구조가 변형되기 때문입니다. 또한 나노 스케일 특성상 전극 접합부의 접촉 저항이 급증하며, 열응력에 따른 계면 박리와 균열 등 기계적 신뢰성 확보에 한계가 있습니다. 나아가 대면적 벌크 소재의 균일한 합성 공정 및 재현성 확보가 어렵고 소자 가공 과정에서 미세구조가 손상되어 수율이 떨어집니다. 이종 재료 간 열팽창 계수 차이로 인한 열충격 누적이 내구성을 저하시키며, 결정적으로 실험실 레벨의 고성능 ZT 값을 대형 모듈로 확장하는 스케일업 과정에서 심각한 효율 저하가 발생합니다
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
나노구조 열전소재는 전기를 만드는 효율이 아주 높지요. 히지만 이걸 모듈 형태로 조립하는 작업은 까다로운 편입니다. 사실 나노크기의 미세한 입자들은 내구성이 약해서 쉽게 깨지게 됩니다. 그래서 성질이 훼손되기 십상이죠. 게다가 뜨거운 열을 직접적으로 받아내는 장치이다 보니깐, 온도가 올라가고 내려갈때는 모양이 찌그러지는 문제도 생깁니다. 그래서 섬세한 나노구조를 훼손하지 않으면서 단단하게 굳혀서 조립하기가 어려운 거구요.
소재랑 전선이 만나는 접촉부위에서 전력이 새어나가는 점도 모듈화를 가로막는 이유입니다. 왜냐하면 이 틈새에서 저항이 발생하게 되면 나노기술로 열심히 끌어올린 효율이 다 깍여나가죠. 그리고 가열되는 상태로 오래쓰다보면 나노구조가 뭉개지면서 성능도 잃어버릴수가 있는거구요. 그러니 나노 소재의 특유한 성능은 그대로 지키고, 튼튼하고 쉽게 만들수있는 공정을 찾는것이 제일의 과제가 되겠습니다.