26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
나노리본 세라믹으로 열전력을 높이다 - 고성능 칼슘 코발타이트의 새로운 길
에너지를 효율적으로 사용하고 지속 가능한 기술을 발전시킬 수 있는 새로운 방법을 찾는 것은 우리 시대의 핵심 주제입니다. 따라서 열을 전기 에너지로 직접 변환할 수 있는 소재, 이른바 열전 소재가 점점 더 각광을 받고 있습니다. 칼슘 코발타이트 기반의 세라믹 화합물은 견고하고 고온에 강하며 성능이 효율적이기 때문에 특히 유망한 소재로 꼽힙니다.
고온 열전 재료 분야에서 다결정 세라믹의 이방성 미세 구조를 달성하는 것은 열전달을 억제하면서 전기 전도성을 높이는 핵심 전략입니다.
하지만 이러한 소재를 어떻게 더 개선할 수 있을까요? 한 연구팀이 이러한 화합물의 특성을 크게 향상시키는 완전히 새로운 접근법을 개발하여 더 깨끗한 에너지 생산을 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다.
최근 미국 세라믹 저널에 발표된 "전기방사 및 이중 스파크 플라즈마 텍스처링을 통한 고성능 열전 칼슘 코발타이트 나노리본 세라믹"이라는 제목의 연구는 이 문제에 대한 혁신적인 접근 방식을 제시합니다.
나노리본에서 고성능 세라믹까지
하노버 라이프니츠 대학교와 이스라엘 테크니온 공과대학의 연구원들은 전기방사와 순차적 스파크 플라즈마 소결(SPS) 및 에지 프리 스파크 플라즈마 텍스처링(SPT)을 성공적으로 결합했습니다. 이 공정 전략은 이전 블로그에서 CCO 파우더 기반 세라믹에 적용된 사례를 소개한 바 있습니다.
이 프로젝트의 핵심 혁신은 전기방사 나노리본을 고질감의 칼슘 코발타이트(Ca₃Co₄O₉, CCO) 세라믹을 만들기 위한 출발 물질로 사용하는 것입니다.
이러한 1차원 전구체는 본질적으로 이방성이며 이미 정렬된 입자 방향을 나타냅니다. 결합된 SPS + SPT 접근법을 사용하여 소결 및 텍스처링한 결과 코발타이트는 조밀하게 밀집된 벽돌 벽과 같은 미세 구조, 효율적인 평면 내 전하 수송을 위한 향상된 정렬, 텍스처 입자 경계에서 포논 산란으로 인한 열 전도성 감소를 갖습니다.
1073K에서 이 유망한 열전 소재는 다결정 CCO에 대해 보고된 가장 높은 값 중 하나인 ZT = 0.53을 달성했습니다.
NETZSCH 정확한 열전 특성 평가를 가능하게 하는 열 분석기
NETZSCH 분석 및 테스트 연구소는 NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash 레이저 플래시 장치를 사용하여 열 확산도를 측정하고 NETZSCH DSC 404F1 Pegasus® 시차 주사 열량계로 비열 용량(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)을 측정하여 이 연구에 필수적인 측정값을 제공했습니다.
두 데이터 모두 열전도율(λ)과 ZT 값을 정확하게 계산하여 나노 구조가 열전달에 미치는 영향에 대한 직접적인 통찰력을 제공했습니다.
이 연구는 사전 구조화된 이방성 세라믹 빌딩 블록이 산화물 재료의 열전 특성을 어떻게 크게 향상시킬 수 있는지를 강조합니다. 혁신적인 합성과 정밀한 열 특성 분석의 시너지 효과는 안정적인 고성능 세라믹을 기반으로 하는 새로운 에너지 하베스팅 기술을 위한 길을 열어줍니다.
감사
이 연구는 독일 하노버 라이프니츠 대학교 물리화학 및 전기화학 연구소와 울프슨 화학공학과가 테크니온-이스라엘 공과대학(이스라엘 하이파)의 낸시 & 스테판 그랜드 테크니온 에너지 프로그램(GTEP)과 협력하여 NETZSCH 분석 및 테스트와 함께 진행한 공동 연구의 결과물입니다.
열물리학적 특성의 정밀한 특성화를 위한 열 분석 전문 지식과 기기를 제공함으로써 이 연구에 기여하게 된 것을 기쁘게 생각합니다.
이 출판물에 대한 오픈 액세스 펀딩은 프로젝트 딜에서 지원하고 주관했습니다.
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