19 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 열을 전기로 변환하는 것을 극적으로 높일 수 있는 새로운 장치를 제작했습니다. 이 기술이 완벽해지면 미국에서 매년 약 100억 달러의 비율로 낭비되는 열 에너지의 일부를 회수하는 데 도움이 될 수 있습니다. NIST 연구원인 크리스 버트니스(Kris Bertness)와 그녀의 협력자들이 개발한 새로운 제조 기술은 실리콘 웨이퍼 위에 수십만 개의 미세한 질화 갈륨 기둥을 증착하는 것과 관련이 있습니다. 그런 다음 재료의 얇은 시트만 남을 때까지 실리콘 층을 웨이퍼 밑면에서 제거합니다. 기둥과 실리콘 시트 사이의 상호 작용은 실리콘에서 열 전달을 느리게 하여 더 많은 열이 전류로 변환되도록 합니다. Bertness와 University of Colorado Boulder의 그녀의 협력자들은 이 발견을 다음과 같이 보고했습니다. 고급 재료 ("국부 포논 공명에 의해 분리된 반도체 열 및 전기적 특성").
열 에너지를 전기로 효율적으로 변환하기 위해 새로운 디자인에 사용되는 나노기둥의 삽화. (이미지: S. Kelley/NIST) 제조 방법이 완성되면 실리콘 시트를 증기 또는 배기관에 감아 열 방출을 전기로 변환하여 주변 장치에 전력을 공급하거나 전력망에 전달할 수 있습니다. 또 다른 잠재적 응용 분야는 컴퓨터 칩을 냉각하는 것입니다. NIST-University of Colorado 연구는 독일 물리학자 Thomas Seebeck이 처음 발견한 기묘한 현상을 기반으로 합니다. 1820년대 초, Seebeck은 서로 다른 재료로 만들어진 두 개의 금속 와이어를 연구하고 있었는데, 이 와이어는 양쪽 끝이 연결되어 루프를 형성했습니다. 그는 와이어를 연결하는 두 접합부가 서로 다른 온도로 유지될 때 근처에 있는 나침반 바늘이 빗나가는 것을 관찰했습니다. 다른 과학자들은 온도 차이가 두 영역 사이에 전압을 유도하여 전류가 더 뜨거운 영역에서 더 차가운 영역으로 흐르기 때문에 편향이 발생한다는 것을 곧 깨달았습니다. 전류는 나침반 바늘을 편향시키는 자기장을 생성했습니다.
실리콘 막 위에 나노기둥을 성장시킴으로써 NIST 과학자들과 그들의 동료들은 전기 전도성을 감소시키지 않으면서 열 전도를 21%까지 감소시켰고, 그 결과 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 극적으로 높일 수 있었습니다. 고체에서 열 에너지는 결정 격자에서 원자의 주기적인 진동인 포논에 의해 전달됩니다. 멤브레인에 있는 포논의 특정 진동은 나노기둥에 있는 것과 공명하여 열 전달을 늦추는 역할을 합니다. 결정적으로 나노기둥은 전자의 이동을 늦추지 않아 전기 전도성이 높게 유지되어 우수한 열전 재료를 생성합니다.
이론적으로 소위 Seebeck 효과는 그렇지 않으면 손실될 열 에너지를 재활용하는 이상적인 방법이 될 수 있습니다. 하지만 큰 걸림돌이 생겼습니다. 재료는 두 영역 사이의 온도차를 유지하기 위해 열을 잘 전도하지 않으면서도 열을 상당한 양의 전기 에너지로 변환하기 위해 전기를 매우 잘 전도해야 합니다. 그러나 대부분의 물질에서 열전도율과 전기전도율은 밀접한 관련이 있습니다. 불량한 열 전도체는 불량한 전기 전도체를 만들고 그 반대도 마찬가지입니다. 열전 변환의 물리학을 연구하면서 콜로라도 대학의 이론가 마흐무드 후세인(Mahmoud Hussein)은 이러한 특성이 나노기둥으로 덮인 얇은 막에서 분리될 수 있음을 발견했습니다. - 사람 머리카락 굵기의 21분의 XNUMX. 그의 발견은 Bertness와의 협력으로 이어졌습니다. 나노기둥을 사용하여 Bertness, Hussein 및 그들의 동료들은 실리콘 시트의 전기 전도도에서 열 전도도를 분리하는 데 성공했습니다. 이는 모든 재료에 대한 최초이자 열을 전기 에너지로 효율적으로 변환할 수 있는 이정표입니다. 연구원들은 전기 전도성을 낮추거나 제벡 효과를 변경하지 않고 실리콘 시트의 열 전도성을 XNUMX% 줄였습니다. 실리콘 및 기타 고체에서 원자는 결합에 의해 구속되어 열을 전달하기 위해 자유롭게 이동할 수 없습니다. 결과적으로 열 에너지의 수송은 원자의 집단 진동을 움직이는 포논의 형태를 취합니다. 질화갈륨 나노기둥과 실리콘 시트 모두 포논을 가지고 있지만 나노기둥 내부에 있는 것들은 진동하는 기타 현이 양쪽 끝에 고정되어 있는 것처럼 작은 기둥의 벽에 의해 고정된 정재파입니다. 실리콘 시트에서 이동하는 포논과 나노기둥의 진동 사이의 상호 작용은 이동하는 포논을 느리게 하여 열이 재료를 통과하기 어렵게 만듭니다. 이는 열전도율을 감소시켜 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로의 온도 차이를 증가시킵니다. 마찬가지로 중요한 것은 포논 상호 작용이 실리콘 시트의 전기 전도도를 변경하지 않고 그대로 두면서 이러한 위업을 달성한다는 것입니다. 이 팀은 현재 열전 열 회수를 위한 더 나은 형상과 함께 전체가 실리콘으로 제작된 구조에 대해 연구하고 있습니다. 연구원들은 그들의 기술이 산업에서 경제적으로 실행 가능하도록 충분히 높은 열-전기 전환율을 입증할 것으로 기대합니다.
열 에너지를 전기로 효율적으로 변환하기 위해 새로운 디자인에 사용되는 나노기둥의 삽화. (이미지: S. Kelley/NIST) 제조 방법이 완성되면 실리콘 시트를 증기 또는 배기관에 감아 열 방출을 전기로 변환하여 주변 장치에 전력을 공급하거나 전력망에 전달할 수 있습니다. 또 다른 잠재적 응용 분야는 컴퓨터 칩을 냉각하는 것입니다. NIST-University of Colorado 연구는 독일 물리학자 Thomas Seebeck이 처음 발견한 기묘한 현상을 기반으로 합니다. 1820년대 초, Seebeck은 서로 다른 재료로 만들어진 두 개의 금속 와이어를 연구하고 있었는데, 이 와이어는 양쪽 끝이 연결되어 루프를 형성했습니다. 그는 와이어를 연결하는 두 접합부가 서로 다른 온도로 유지될 때 근처에 있는 나침반 바늘이 빗나가는 것을 관찰했습니다. 다른 과학자들은 온도 차이가 두 영역 사이에 전압을 유도하여 전류가 더 뜨거운 영역에서 더 차가운 영역으로 흐르기 때문에 편향이 발생한다는 것을 곧 깨달았습니다. 전류는 나침반 바늘을 편향시키는 자기장을 생성했습니다.
실리콘 막 위에 나노기둥을 성장시킴으로써 NIST 과학자들과 그들의 동료들은 전기 전도성을 감소시키지 않으면서 열 전도를 21%까지 감소시켰고, 그 결과 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 극적으로 높일 수 있었습니다. 고체에서 열 에너지는 결정 격자에서 원자의 주기적인 진동인 포논에 의해 전달됩니다. 멤브레인에 있는 포논의 특정 진동은 나노기둥에 있는 것과 공명하여 열 전달을 늦추는 역할을 합니다. 결정적으로 나노기둥은 전자의 이동을 늦추지 않아 전기 전도성이 높게 유지되어 우수한 열전 재료를 생성합니다.
이론적으로 소위 Seebeck 효과는 그렇지 않으면 손실될 열 에너지를 재활용하는 이상적인 방법이 될 수 있습니다. 하지만 큰 걸림돌이 생겼습니다. 재료는 두 영역 사이의 온도차를 유지하기 위해 열을 잘 전도하지 않으면서도 열을 상당한 양의 전기 에너지로 변환하기 위해 전기를 매우 잘 전도해야 합니다. 그러나 대부분의 물질에서 열전도율과 전기전도율은 밀접한 관련이 있습니다. 불량한 열 전도체는 불량한 전기 전도체를 만들고 그 반대도 마찬가지입니다. 열전 변환의 물리학을 연구하면서 콜로라도 대학의 이론가 마흐무드 후세인(Mahmoud Hussein)은 이러한 특성이 나노기둥으로 덮인 얇은 막에서 분리될 수 있음을 발견했습니다. - 사람 머리카락 굵기의 21분의 XNUMX. 그의 발견은 Bertness와의 협력으로 이어졌습니다. 나노기둥을 사용하여 Bertness, Hussein 및 그들의 동료들은 실리콘 시트의 전기 전도도에서 열 전도도를 분리하는 데 성공했습니다. 이는 모든 재료에 대한 최초이자 열을 전기 에너지로 효율적으로 변환할 수 있는 이정표입니다. 연구원들은 전기 전도성을 낮추거나 제벡 효과를 변경하지 않고 실리콘 시트의 열 전도성을 XNUMX% 줄였습니다. 실리콘 및 기타 고체에서 원자는 결합에 의해 구속되어 열을 전달하기 위해 자유롭게 이동할 수 없습니다. 결과적으로 열 에너지의 수송은 원자의 집단 진동을 움직이는 포논의 형태를 취합니다. 질화갈륨 나노기둥과 실리콘 시트 모두 포논을 가지고 있지만 나노기둥 내부에 있는 것들은 진동하는 기타 현이 양쪽 끝에 고정되어 있는 것처럼 작은 기둥의 벽에 의해 고정된 정재파입니다. 실리콘 시트에서 이동하는 포논과 나노기둥의 진동 사이의 상호 작용은 이동하는 포논을 느리게 하여 열이 재료를 통과하기 어렵게 만듭니다. 이는 열전도율을 감소시켜 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로의 온도 차이를 증가시킵니다. 마찬가지로 중요한 것은 포논 상호 작용이 실리콘 시트의 전기 전도도를 변경하지 않고 그대로 두면서 이러한 위업을 달성한다는 것입니다. 이 팀은 현재 열전 열 회수를 위한 더 나은 형상과 함께 전체가 실리콘으로 제작된 구조에 대해 연구하고 있습니다. 연구원들은 그들의 기술이 산업에서 경제적으로 실행 가능하도록 충분히 높은 열-전기 전환율을 입증할 것으로 기대합니다.
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- 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63028.php
