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사이언스 차이나 프레스

이미지: (a) 압력 보조 고온 소결에 의한 Mg3Sb2 기반 모듈의 조립을 보여주는 개략도. Al-Si-Cu 브레이징 필러가 사용됩니다. (b) Ag 복합 페이스트를 사용하여 저온 및 저압 접합을 통해 Mg3Sb2 기반 모듈을 조립합니다. (c) 523K에서 773K까지 10회 열 주기 동안 Ag 복합 페이스트의 질량 변화 및 열 흐름. (d) Ag 복합 페이스트를 사용한 납땜 전후의 저항 변화 비교.더보기

출처: ©Science China Press

화석 연료의 활용 효율을 높이고 환경 오염을 완화하는 가장 유망한 솔루션 중 하나인 열전(TE) 발전 기술은 무접점 작동, 움직이는 부품 없이 작동, 무료 유지 관리 및 확장 서비스의 장점을 가지고 있습니다. 지난 수십 년 동안 TE 재료의 성능을 향상시키기 위해 상당한 노력이 이루어졌습니다. 그리고 IV-VI 화합물(예: SnSe, GeTe 및 PbSe), 스커터루다이트 및 Cu2Se와 같은 일부 우수한 합금이 나타납니다. TE 재료의 성능을 향상시키는 이러한 전례 없는 발전은 TE 장치의 광범위한 응용을 예고하는 중요한 활성화 단계입니다. 그러나 TE 장치 기술의 발전은 덜 빠르게 진행되었습니다. 현재의 노력은 주로 전극 설계, 장벽 층 스크리닝 및 인터페이스 최적화와 같은 단일 다리 또는 단일 커플 문제에 중점을 두고 있습니다. 단일 다리는 특정 TE 재료의 잠재력을 평가하는 데 매우 유용하지만 여전히 실제 적용과는 거리가 멀습니다. 산업용 애플리케이션을 위해서는 n형 및 p형 TE 재료로 구성된 모듈을 개발해야 합니다. 그럼에도 불구하고 모듈 개발은 단일 다리 제작보다 더 어렵습니다. n형과 p형 TE 재료의 매칭 개발, TE 레그의 형상 최적화, 다중 레그의 용접 및 조립, 모듈의 효율성 및 신뢰성 평가 등 더 많은 문제를 정교하게 다루어야 합니다. 또한 현재 사용 중이거나 연구 중인 대부분의 TE 구성 요소에는 희귀 원소(예: Te) 또는 독성 원소(예: Pb)가 포함되어 있어 대규모 응용 분야에 잠재적인 장애가 될 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 Mg3Sb2 기반 화합물은 무독성 특성, 풍부한 구성 요소 및 우수한 기계적 견고성으로 인해 TE 커뮤니티에서 상당한 관심을 끌었습니다. p형 Mg3Sb2가 n형 Mg3Sb2로 전환되는 현상에서 영감을 받아 이러한 종류의 화합물에 대한 후속 연구가 활발해졌습니다. 지난 5년 동안 상당한 진전이 이루어져 TE 성능이 향상되었습니다. 이러한 환호 결과로 저비용의 환경 친화적인 Mg3Sb2 기반 화합물이 중온 TE 발전을 위한 최첨단 Te 또는 Pb 함유 합금의 대체재로 유망해졌습니다. 그리고 최근에는 장치 개발에 대한 집중적인 연구 관심이 촉발되었습니다. 단일 레그 수준에서는 n형 Mg3Sb2의 확장 가능한 합성, 신뢰할 수 있는 접합 인터페이스 설계 및 장벽 층 스크리닝 측면에서 노력이 이루어졌습니다. 주목할만한 결과는 700K의 열원 온도에서 400K의 온도 차이에서 ~10%의 단일 레그 효율을 달성할 수 있다는 점이며 이는 중온 발전 애플리케이션에 대한 좋은 잠재력을 나타냅니다. 유니커플 또는 모듈 수준에서 Bi2Te3, MgAgSb, GeTe, CdSb 및 CoSb3와 같은 다양한 p형 TE 화합물이 n-Mg3Sb2와 쌍을 이루는 데 사용되었습니다. 다양한 재료 조합으로 제작된 모듈은 저온 및 중온 범위에서 탁월한 발전 성능을 제공합니다.

그러나 이러한 모듈은 모두 서로 다른 부모 n형 및 p형 TE 화합물을 사용하여 제작되었다는 것이 눈에 띕니다. 이러한 n형 및 p형 합금의 서로 다른 TE 및 화학적 특성으로 인해 번거로운 장치 형상 설계와 적절한 장벽 층을 개별적으로 선택해야 합니다. 더 중요한 것은 발전용 TE 모듈은 일반적으로 큰 온도 구배(예: 중간 온도 발전 애플리케이션의 경우 300~500K)와 변동하는 온도에서 작동하므로 다음과 같은 n형 및 p형 TE 재료의 물리적 매개변수의 차이입니다. 열팽창 계수로 인해 서비스 중에 장치 고장이 쉽게 발생할 수 있는 높은 열 응력이 발생합니다. 또한 다양한 n형 및 p형 TE 재료의 융점과 기계 가공성의 차이로 인해 용접 및 조립 공정에 추가적인 제약이 가해집니다. 따라서 동일한 모체 TE 화합물을 사용하여 효율적이고 견고한 TE 모듈을 개발하여 재료 특성의 탁월한 일치가 모듈 제조를 촉진하고 장기적으로 안정적인 작동을 보장하려는 강한 욕구가 있습니다. 예를 들어 NASA가 심우주 탐사에 사용하는 상용 Bi2Te3 모듈, PbTe 모듈 및 SiGe 모듈과 같은 실제 응용 분야에서 잘 입증되었습니다. 이 모듈은 모두 동일한 모체 n형 및 p형 TE 재료로 만들어졌습니다. .