열전 응용 분야를 위한 고엔트로피 합금

소개

고엔트로피 합금(HEA)은 고유한 특성으로 인해 최근 고온 열전 응용 분야에서 유망한 소재로 부상하고 있습니다. 열전 애플리케이션에 HEA를 사용하면 얻을 수 있는 몇 가지 이점을 소개합니다. 고엔트로피 합금의 특징과 응용 분야에 대해 더 잘 이해할 수 있기를 바랍니다.

고엔트로피 합금이란?

고엔트로피 합금은 원소 비율이 같거나 거의 같은 5개 이상의 원소를 포함하는 합금의 일종입니다. 기존 합금과 비교하면 기본 원소가 하나만 있는 것이 아니라 여러 가지 주요 원소로 구성되어 있습니다. 이러한 독특한 구성으로 인해 무질서한 구조와 높은 엔트로피, 그리고 무엇보다도 뛰어난 특성과 응용 분야로 이어집니다.

HEA는 기존 합금에는 없는 독특하고 인상적인 특성이 돋보입니다. 이러한 특성에는 고강도, 뛰어난 연성, 높은 전기 전도성 및 우수한 열 안정성이 포함됩니다. 이 합금은 내마모성, 내식성, 고온 특성도 우수하여 열악한 환경에서 이상적인 소재입니다.

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그림 1. 고엔트로피 합금의 예

이러한 구조적 및 기능적 특성으로 인해 HEA는 항공우주, 자동차, 바이오메디컬 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 이 글에서는 특히 열전 응용 분야에 사용되는 고엔트로피 합금을 살펴봅니다.

열전 재료란 무엇인가요?

열전(TE) 기술의 인기는 에너지 수요가 지속적으로 증가함에 따라 빠르게 증가하고 있습니다. 우선, 증가하는 에너지 수요를 충족하기 위해 대량의 재생 에너지가 활용되고 있습니다. 또 다른 이유로는 폐열 에너지를 사용할 수 있는 TE 기술이 매력적인 옵션이기 때문입니다. 또한 TE 소재는 작동 크기가 작아 고체 냉각, 휴대용 및 웨어러블 전자 제품 등에 적용될 수 있습니다.

TE 기술에서는 폐열 에너지를 전력으로 직접 변환하기 위해 광범위한 첨단 소재가 사용됩니다. 일반적인 열전 재료로는 Zintl, Heusler, SiGe, MgSi, 클래트레이트 및 CoSb3-Ba가 있습니다. Pb(Te, Se, S)-SeTe, SiGe, 스커터루다이트도 유용합니다. [2] 그러나 다양한 고엔트로피 합금이 고온 특성을 가진 새로운 첨단 TE 재료로 부상하고 있습니다.

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그림 2. TE 소재 예시

고엔트로피 합금이 열전 애플리케이션에 적합한 이유는 무엇일까요?

HEA는 다음과 같은 특성으로 인해 TE 애플리케이션에 매우 적합합니다.

--높은 열 안정성

첫째, 높은 구성 엔트로피로 인해 원자가 무작위로 분포되어 높은 열 안정성을 나타냅니다. 이러한 무질서한 구조는 고온에서도 상변환의 발생을 감소시켜 열전 애플리케이션에 탁월한 소재입니다.

--높은 열 전도성

둘째, 금속적 특성으로 인해 열전도율이 높아 전자 이동도가 높고 열 흐름에 대한 저항이 낮습니다. TE 애플리케이션에서 열 전달 효율을 높이기 위해서는 높은 열 전도성이 필요하기 때문에 HEA는 우수한 TE 소재입니다.

--높은 전기 전도성

열적 특성 외에도 HEA는 높은 전기 전도도를 보여 열을 전기로 효율적으로 변환할 수 있습니다. 따라서 HEA는 열전 발전에 탁월한 선택이 됩니다.

-낮은 열팽창 계수

HEA는 원자 배열이 무작위적이기 때문에 열팽창계수가 낮습니다. 따라서 열 응력이나 변형의 가능성이 줄어들어 열전 응용 분야에 탁월한 소재입니다.

--향상된 기계적 특성

또한 무질서한 구조는 고강도 및 연성과 같은 HEA의 향상된 기계적 특성으로 이어집니다. 열악한 작동 조건을 견디기 위해서는 높은 강도와 연성을 갖춘 소재가 필요하기 때문에 이러한 기계적 특성 덕분에 HEA는 고온 열전 응용 분야에 탁월한 소재가 됩니다.

결론

한마디로 HEA는 높은 열 안정성, 높은 열 및 전기 전도성, 낮은 열팽창 계수, 향상된 기계적 특성 등 열전 애플리케이션에 다양한 이점을 제공합니다. 이러한 고유한 특성으로 인해 HEA는 기존 TE 소재의 유망한 대안이 될 수 있으며, 보다 효율적이고 내구성이 뛰어난 열전 소자의 개발로 이어질 수 있습니다.

Stanford Advanced Materials(SAM) 는 고엔트로피 합금의 신뢰할 수 있는 공급업체입니다. 열전 애플리케이션, 3D 프린팅 등에 사용되는 고품질의 HEA가 많이 있습니다. 다양한 형태와 모양의 HEA도 제공됩니다. 관심이 있으시면 문의해 주세요.

참조:

[1] 사로 산, 양 통, 홍빈 베이, 부파티 콤바야, 얀웬 장, 와이임 칭, 실험적 검증을 통한 4개의 단상 고엔트로피 합금에서 격자 왜곡의 제1원리 계산, 재료 및 설계, 209권, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] 샤페이, 삼랑드 & 궈, 셩. (2020). 고온 열전 애플리케이션을 위한 고엔트로피 합금의 선택 및 사용의 이점. 10.1201/9780367374426-16.

[3] Zeng, Minxiang & Zavanelli, Duncan & Chen, Jiahao & Saeidi-Javash, Mortaza & Du, Yipu & LeBlanc, Saniya & Snyder, G. & Zhang, Yanliang. (2021). 차세대 에너지 및 열 장치를 향한 열전 잉크 인쇄. 화학 학회 리뷰. 51. 10.1039/D1CS00490E.