슈퍼 단열재 개발, 거의 공기와 같은 열전도율

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-21 07:41:05
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* 매우 다른 격자 구조를 가진 두 개의 하위 단위로 구성된 층상 결정
* 포논을 다른 방식으로 느리게 하는 두 가지 비스무트 화합물 Bi2O2Se을 결합
* 열에너지 사용을 위한 가스 터빈, 열 손실을 최소화하는 새로운 열전 장치에 사용

화학자들이 슈퍼 단열재를 개발했다.
재료는 기록된 무기질 고체 중 열전도율이 가장 낮다.


거의 공기와 같은 단열성:
새로운 재료는 무기질 고체 중에서 가장 낮은 열전도율을 갖고 있는 것으로 측정됐다.
이 결정질 물질은 미터당 0.1와트 켈빈으로 거의 공기만큼 열을 잘 전도하지 않는다. 

이것은 열전달 격자 진동을 특히 잘 흡수하고 늦추는 특수 결정 구조를 통해 달성된다. 

새로운 초박형 단열재를 가능하게 할 수 있다. 

연구팀이 최근 전문 잡지 "Science"에 보고한 내용이다.

▲ 두 가지 다른 격자 구조(노란색, 파란색)의 조합은 열에 대해 매우 잘 절연되는 결정질 재료를 생성한다.

© University of Liverpool


재료가 열을 잘 전도하는지는 구조에 따라 다르다.
전자가 자유롭게 움직일 수 있어 재료를 통한 열전달에 기여할 수 있다면 금속은 좋은 열 전도체이다. 전기적으로 비전도성인 고체의 경우 열전도율은 격자 구조에 따라 달라진다. 즉, 격자 진동(포논)의 형태로 열에 의해 유도된 원자의 움직임이 더 잘 전달될수록 재료가 열을 더 잘 전도한다.

따라서 가장 효과적인 단열재를 개발하기 위해 과학자들은 격자 구조가 열전달 포논을 최대한 느리게 하거나 산란시키는 고체를 찾고 있다.

확산 걸림돌로서의 구조적 차이

리버풀 대학의 쿠인 깁슨(Quinn Gibson)과 함께 일하는 화학자들은 최근 이러한 물질을 개발했다. 그들의 출발점은 매우 다른 격자 구조를 가진 두 개의 하위 단위로 구성된 층상 결정이었다. "화학 결합의 차이는 포논 분포를 크게 수정하고 열전달을 감소시킨다. 이는 이온 크기가 크게 달라지는 것과 유사하다"고 과학자들은 설명했다.

이를 달성하기 위해 Gibson과 팀은 층 구조가 (Bi2O2)mXn을 따르는 비스무트 화합물을 구체적으로 조사했다. "이 결정들은 광범위한 음이온 X-층과 번갈아가며 강하게 결합된 Bi2O22+-Kation 층을 가지고 있다"고 연구원들은 설명했다.

결합된 2개의 층 결정

새로운 재료를 위해 연구팀은 포논을 다른 방식으로 느리게 하는 두 가지 비스무트 화합물을 결합했다. 염화비스무트(BiOCl)의 경우, 더 단단히 결합된 산화비스무트에서 느슨하게 결합된 염소 원자가 지배하는 격자 영역으로의 변화는 격자 진동의 확산을 억제한다. Bi2O2Se 반도체의 경우 원자 크기의 차이와 쉽게 왜곡되는 격자 구조로 인해 포논 전파가 억제된다.

따라서 두 재료 모두 그 자체로 우수한 단열재다.
이것들을 결합하면 시너지 효과가 생기고 두 가지 시작 재료보다 단열이 더 좋은 재료를 얻을 수 있다. 이는 생성된 층상 결정 Bi4O4SeCl2의 격자 구조가 강한 결합에서 약한 결합으로의 변화와 왜곡되기 쉬운 층을 통한 포논 전파를 억제하기 때문이다.


모든 무기질 고체 중 가장 낮은 열전도율

그 결과 열전도율이 매우 낮은 재료가 생성된다. 결정층의 방향에 따라 이는 실온에서 켈빈 및 미터당 최소 0.1와트에 도달할 수 있다. (참고: 공기는 실온에서 켈빈 및 미터당 0.026W의 열전도율을 갖는다)

Gibson의 동료 매트 로세인스키(Matt Rosseinsky)는 "우리가 발견한 물질은 모든 무기 고체 중 열전도율이 가장 낮고 거의 공기 만큼 열전도율이 낮다. 이것은 그러한 재료에 대한 근본적인 이해와 실제 적용 모두에 매우 중요하다"고 말했다.

이러한 극도로 단열된 고체는 예를 들어 열에너지 사용을 위한 가스 터빈 또는 기타 시스템의 단열재와 같은 기술 구성 요소의 열 손실을 최소화하는 데 사용할 수 있다.
이러한 재료를 기반으로 하는 새로운 열전 장치 및 시스템이 개발되어 폐열을 전기로 변환할 수도 있다.
(Science, 2021; doi: 10.1126 / science.abh1619)
출처: University of Liverpool

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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