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- 열전 특성을 향상시키기 위해 소량의 망간을 구리로 대체
- 광물의 결정 구조가 변경돼, 상대적으로 저항 높은 반도체에서 전도성 물질로 바꿔
- 합성 구리 광물은 무독성, 저렴, 비교적 고온에서 사용할 수 있는 열전 재료를 형성

열로 전기를 만드는 새로운 크리스탈 소재
합성 구리 광물은 유망한 열전 특성을 보여준다.

전기 공급원으로서의 폐열:
연구자들은 열에서 전기를 생성하기 위한 새로운 옵션을 제공하는 물질을 개발했다. 구리, 망간, 게르마늄 및 황으로 구성된 이 광물은 전자를 이동시키고 유망한 열전 특성을 제공하는 미세구조를 가지고 있다. 또한, 이 열전 재료는 독성이 없고 원소가 풍부하여 쉽게 생산할 수 있다. 

▲ 새로 개발된 합성 구리 광물은 열전기적으로 반응하므로 미래에 폐열에서 전기를 생성하는 데 사용할 수 있다. © Ken Brazier / CC-by-sa 4.0

열전 재료는 열을 전기로 변환할 수 있으므로 예를 들어 산업 플랜트나 발전소의 폐열을 사용하여 에너지를 생성한다. 이러한 물질은 열전도율은 낮지만, 전기전도율은 높기 때문에 국부적인 온도차가 발생하여 전자를 동원한다. 이것이 전압을 생성한다. 그러나 현재까지 테스트된 많은 고체에는 납 및 텔루륨과 같은 값비싸고 독성이 있는 원소가 포함돼 있다. 이들은 효율성이 가장 높다.

대체한 구리가 결정 구조를 변경한다.

프랑스 캉에 있는 CRISMAT 연구소의 Emmanuel Guilmeau가 이끄는 팀이 새롭고 풍부하며 독성이 없는 열전 재료를 개발했다. 그들은 가능한 후보로 천연 유황 구리 광물의 파생물을 조사했다. 이러한 광물에는 구리, 망간, 게르마늄 및 황이 포함되어 있어 지각에서 일반적으로 발견되는 본질적으로 무독성 원소다.

자연적으로 약한 열전 특성을 향상시키기 위해 연구원들은 이 광물에 자연적으로 존재하는 소량의 망간을 구리로 대체했다. 분석에서 알 수 있듯이 이것은 광물의 결정 구조를 변경했다. 중첩된 나노도메인, 결함 및 전자적으로 유사한 인터페이스에서 형성된 복잡한 미세구조다. 그 결과 지금은 합성 광물이 됐다. Guilmeau는 “우리는 그 결과에 매우 놀랐다. 일반적으로 이 종류의 재료에서 구성을 변경하면 구조에 거의 영향을 미치지 않는다"고 설명했다.

향상된 열전 특성

결정적으로 결정 미세구조의 이러한 변화는 원하는 대로 광물의 열전 특성을 향상시켰다. 일단 상대적으로 저항이 높은 반도체에서 금속 같은 전도성 물질로 바뀌었다. 동시에 결정 격자의 많은 결함과 경계면이 열전도를 억제하기 때문에 열전도도는 약 450도까지 계속 떨어졌다.

결과적으로 합성 구리 광물은 무독성이고 저렴하며 비교적 고온에서 사용할 수 있는 열전 재료를 형성한다. 필요한 결정 구조가 최대 400도까지 안정적으로 유지되기 때문에 많은 산업 플랜트의 일반적인 폐열 온도 범위에 있다. 따라서 연구원들에 따르면 이러한 유형의 합성 광물은 효율적인 열전 재료로 사용될 수 있는 좋은 기회를 제공한다.

또 다른 장점:
"분말은 볼 밀링 공정을 사용하여 기계적으로 사전 결정질 합금으로 가져온 다음 섭씨 600도에서 압축된다"고 Guilmeau는 설명한다. "이 프로세스는 쉽게 확장할 수 있다.“
(Angewandte Chemie, 2022; doi: 10.1002/anie.202210600)
출처: 독일 화학자 협회

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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