일본산업뉴스요약

열전변환 성능 180배의 열전재료 개발
도요타공대, 열전발전소자 등에 응용

도요타공업대학 대학원공학연구과의 다케우치(竹内) 교수와 스미토모전기공업 등은 열전변환성능을 큰 폭으로 높인 열전재료를 개발했다. 동과 셀렌을 원재료로 온도 기울기 더하는 방법을 개량해 에너지 변환 효율을 나타내는 무차원 성능 지수를 기존 재료의 180배인 470으로 높였다. 센서 등에 응용이 전망되며 고성능의 온도대를 확대하면 열전발전소자 등으로도 활용할 수 있다.

신개발 재료는 동과 셀렌의 막 상태의 화합물에 있어서 전압을 발생시키는 방향과 직교하는 방향의 두 방향으로 온도 기울기를 가했다. 이 온도 기울기로 인해원자와 전자의 배열 및 에너지 분포가 변해 전압이 올라가기 쉬운 저온의 결정상과 전기 저항이 작은 고온의 결정상이 공존한다. 전압이 올라가기 쉬우며 전기가 흐르기 쉬운 구조로 만들 수 있어 두 가지 결정상 사이에서 이온 및 전자를 주고 받아 고성능화로 이어졌다.

동과 셀렌의 화합물은 전압이 올라가기 쉽지만 다른 재료에서는 올라가기 어렵다. 다만 기존 온도 기울기는 전압의 발생방향으로만 가하고 있어 전기가 흐르기 쉬운 저온 결정상이 고온 결정상과 공존하는 것이 어려웠다. 두 방향으로 온도 기울기를 가함으로써 고온과 저온의 결정상이 공존하는 구조의 재료가 만들어졌다.

실용화를 위해서는 고성능 온도대의 확대와 재료 상부에서 열 손실 억제가 과제다. 현재는 재료 표면 온도가 80℃ 전후의 좁은 범위에서 고성능을 나타낸다. 이대로라도 센서 및 미세온도차발전으로의 응용은 가능하지만 활용 분야를 확대하기 위해 고성능의 온도대를 확대한다. 열 손실은 에너지 변환 효율 저하로 연결될 우려가 있어 방지하는 수단을 강구할 방침이다.

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