일본 NIMS 연구팀은 열전 및 자성 물질 층의 단순한 스택이 변칙적인 네른스트 효과를 나타낼 수 있는 기존 자성 물질보다 훨씬 더 큰 횡방향 열전 효과(그 안에서 서로 직각으로 흐르는 전기 전류와 열 전류 간의 에너지 변환)를 나타낼 수 있음을 처음으로 입증했습니다. 이 메커니즘은 에너지 수확 및 열 플럭스 감지에 유용한 새로운 유형의 열전 장치를 개발하는 데 사용될 수 있습니다.

폐열 및 기타 열원을 전기로 변환할 수 있는 제벡 효과 기반 열전 기술은 최근 몇 년 동안 광범위하게 연구되었습니다. 제벡 효과는 일반적으로 관련 열 흐름과 평행하게 흐르는 전류를 생성합니다(즉, 종방향 열전 효과). 이러한 물리적 한계로 인해 Seebeck 효과 기반 장치는 복잡한 구조를 가져야 하며, 이는 서비스 수명 단축과 제조 비용 증가로 이어집니다.

다른 한편으로, 변칙적인 네른스트 효과와 같은 횡방향 열전 효과를 활용함으로써 열전 장치는 제벡 효과 기반 장치보다 훨씬 단순한 구조를 가질 수 있으므로 에너지 수확 및 열 플럭스 감지에 잠재적으로 유용할 수 있습니다. 그러나 변칙적인 네른스트 효과로 인한 실온 열전 변환 성능은 현재 매우 낮아 실온에서 1K 온도 차이로 인해 10μV 미만의 전기를 생성할 수 있어 큰 단점이 있습니다.

연구팀은 전기가 흐를 수 있도록 한 쌍의 열전 및 자성 물질 층이 서로 단단히 쌓인 매우 간단한 구조의 열전 복합재를 제작했습니다. 이 장치는 기존의 자성 물질에 의해서만 생성된 것보다 훨씬 더 큰 횡방향 열전 효과를 나타낼 수 있었으며, 동종 최초의 실험적 시연에서 변칙적인 네른스트 효과를 나타낼 수 있었습니다.

연구팀은 큰 횡방향 열전 효과를 얻기 위해 먼저 이론적 모델을 구축하고, 큰 제벡 효과를 나타낼 수 있는 쌍을 이루는 열전 실리콘(Si) 기판과 자성 철-갈륨(Fe-Ga) 합금 박막 사이의 최적 두께 비율을 추정했습니다. 그런 다음 팀은 최적의 두께 비율로 Si 기판 위에 Fe-Ga 박막을 적층했습니다. 이 복합재는 15.2μV/K의 최대 출력 전압을 생성했는데, 이는 변칙적인 네른스트 효과를 기반으로 Fe-Ga 합금 단독(2.4μV/K)으로 생성된 것보다 약 6배 더 큰 것입니다.

연구팀은 한 쌍의 열전 및 자성 물질 층으로 구성된 단순한 층상 구조가 단독으로 사용할 때 변칙적인 네른스트 효과를 나타낼 수 있는 자성 물질보다 훨씬 더 큰 횡방향 열전 효과를 생성할 수 있음을 입증했습니다. 이 복합재는 광범위한 실용적인 열전 장치에 적용 할 수 있을 것으로 예상됩니다.

앞으로는 화력 발전 장치 응용을 통해 사회의 에너지 절약에 기여하는 것을 목표로 실용화에 필요한 대형 벌크 소재로 연구를 확대할 것입니다.

이상의 기사는 2024년 5월 13일 Phys.org에 게재된 “Exceptionally large transverse thermoelectric effect produced by combining thermoelectric and magnetic materials”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.

* 원문정보 출처 : https://phys.org/news/2024-05-exceptionally-large-transverse-thermoelectric-effect.html

* 추가정보 출처 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202308543

창조아고라 박윤석 VP ppuksog@gmail.com 박윤석 VP의 기사 더보기

저작권자 ⓒ 창조아고라, 무단 전재 및 재배포 금지