열전 소재의 중요성과 응용 가능성
에너지 효율의 최적화는 21세기의 주요 과제 중 하나입니다. 많은 산업 분야에서 엄청난 양의 미사용 열에너지가 발생합니다. 이러한 폐열은 용광로, 소각장, 발전소, 심지어 자동차에서 발생하며, 전기 에너지 생산에 모두 사용될 수 있습니다. 이는 환경에 긍정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 산업 플랜트의 전반적인 효율성과 수익성을 높이는 데도 크게 기여할 수 있습니다. 바로 여기서 열전 발전기가 등장합니다.
"열전 발전기"는 알려진 바와 같이 온도 차이를 이용할 수 있는 모든 분야에서 개발되어 사용될 수 있습니다. 이러한 응용 분야에는 높은 효율을 가진 열전 소재의 개발이 필요합니다.
열물리 및 열전 특성 결정
열전 소재의 개발과 최적화를 위해서는 열물리학적 및 열전 특성에 대한 지식이 필수적입니다. 효율을 평가하기 위해 열전 지수(ZT 값)가 사용됩니다. 이 열전 수치는 특정 재료가 열전 발전기에 사용하기에 얼마나 적합한지 또는 적합하지 않은지를 설명합니다. 따라서 ZT 값은 재료의 효율성에 대한 정보를 제공합니다.

전기 전도도(SBA)전기 전도도는 전하의 이동을 허용하는 재료의 능력을 나타내는 물리적 특성입니다. SBA 458 Nemesis® 을 사용하면 Seebeck 계수인 S와 전기 전도도인 σ를 동시에 측정할 수 있습니다. LFA를 사용하면 비열 용량인비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp와 열 확산도인 a를 직접 측정할 수 있습니다. 밀도(ρ)와 함께 열전도도(λ)도 계산할 수 있습니다.
레이저 플래시 장치 LFA 427, LFA 457 및 LFA 467과 함께 전기 전도도(SBA)전기 전도도는 전하의 이동을 허용하는 재료의 능력을 나타내는 물리적 특성입니다. SBA 458 Nemesis®, NETZSCH 은 ZT 값 측정을 위한 완벽한 솔루션을 제공합니다.
열전 응용 분야에 적합한 소재로서의 스커터루다이트 애플리케이션
현재 열전 소재의 막대한 개발 비용과 낮은 효율로 인해 열전 소재를 적용하지 못하는 경우가 많습니다. 이를 극복하기 위해서는 새로운 개발과 개조를 통해 열전 소재의 효율을 크게 높여야 합니다.
목표는 낮은 열전도율(λ)과 높은 전도율(σ), 높은 시벡 계수(S)를 동시에 나타내는 소재를 개발하는 것입니다. 여기서 어려운 점은 이 세 가지 특성이 특정 조건에서 서로 독립적으로만 영향을 미칠 수 있다는 사실입니다.
특히 스커터루다이트는 전기적 특성이 뛰어날 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 스커터루다이트는 코발트와 비소로 구성된 물질로 희토류에 의해 오염되는 경우가 많습니다. 황화물 종류에 속합니다. 1928년 이 자연 발생 광물인 CoAs3가 처음 발견된 노르웨이의 스커터루드 시에서 그 이름을 따왔습니다. 50년대 중반에 이르러서야 뛰어난 전기적 특성을 인정받았습니다. 스커터루다이트는 매우 높은 전하 운반자 이동도와 medium 크기의 시벡 계수를 특징으로 합니다. 반면에 열전도율이 너무 높아 당시에는 열전기 응용 분야에서 효율적으로 사용할 수 없었습니다. 70년대에 스커터루다이트의 전형적인 결정 구조가 발견되었고, 이를 최적으로 변형할 수 있게 되었습니다. 소자 셀의 두 개의 빈 공간은 외부 원자를 삽입하여 채울 수 있습니다. 이렇게 하면 스커터루다이트의 열전도도를 낮출 수 있습니다. 그 이후로 스커터루다이트는 자동차 배기 시스템의 폐열을 전기로 직접 변환할 수 있는 보다 효율적인 열전 변환기의 잠재적 후보가 되어 왔습니다. 다음 측정 예는 단일 샘플을 통해 스커터루다이트의 ZT 값을 측정하는 방법을 보여줍니다.
LFA 측정
스커터루다이트의 무차원 ZT 값을 계산하기 위해 직경 12.7 mm의 시료에 대해 열확산도(그림 1, 빨간색 곡선)와 비열용량(그림 1, 검은색 곡선)을 LFA 467 HyperFlash® 을 사용하여 측정했습니다. 측정은 실온과 400°C 사이에서 수행되었습니다.

열전도율 계산은 다음 방정식(λ = a-비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp-ρ)을 통해 얻은 결과를 기반으로 합니다(그림 2 참조).

SBA 측정
전기 전도도(SBA)전기 전도도는 전하의 이동을 허용하는 재료의 능력을 나타내는 물리적 특성입니다. SBA 458 Nemesis® 을 사용하여 LFA 측정에 이미 사용된 시료의 Seebeck 계수와 전기 전도도를 RT와 350°C 사이에서 측정했습니다. 시벡 계수는 100 μV/K에서 거의 160 μV/K로 증가한 반면 전기 전도도는 약 1300 S/cm에서 1000 S/cm로 감소했습니다. 측정 결과는 두 파라미터 모두에서 우수한 재현성(± 2%)을 보였습니다(그림 3 참조).

ZT 값
ZT 값은 다음 공식을 사용하여 동일한 샘플에 대해 LFA 및 전기 전도도(SBA)전기 전도도는 전하의 이동을 허용하는 재료의 능력을 나타내는 물리적 특성입니다. SBA로 얻은 결과를 통해 계산합니다(그림 4 참조):


그림 5의 플롯은 실온과 400°C 사이의 ZT 값의 증가를 나타내며 최대값은 0.75입니다.

요약
열확산도 및 열전도도, 비열용량, 시벡 계수 및 전기 전도도를 포함한 열물리학적 특성을 단 하나의 샘플만으로 측정할 수 있다는 것이 입증되었습니다. 따라서 시료 형상 조정을 위한 추가 시료 전처리가 필요하지 않으므로 사용자는 귀중한 시간을 절약할 수 있습니다.