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물리 열전 에너지를 위한 양자 샘
2013.11.04 00:42
열전 에너지를 위한 양자 샘http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013100436&service_code=03 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-10-28 | |
| 환경으로부터 열 에너지를 수집하여, 그것을 전력으로 변환하는 열전 에너지(thermoelectric energy) 회수 장비는 다양한 소형 전자 장비에 에너지를 공급하는데 있어 그 잠재력이 있다. 현재, 열전 에너지 회수 장비를 개발하는 데 있어서 가장 큰 도전은 강력하고도, 동시에 효율적인 시스템을 만드는 것이다. 과학자들이 현재 열전 에너지 회수 장비를 만들기 위해 실험하고 있는 물질은 반도체 특성을 가진 나노 크기 결정인 양자점(quantum dots)이다. 그것의 분명한 불연속 에너지 준위로 말미암아, 양자점은 훌륭한 에너지 필터의 역할을 할 수 있으며, 이는 열전 장비의 속성에 있어서 매우 중요하다. New Journal of Physics에 발표된 새로운 논문에서, 스위스와 스페인, 그리고 미국의 연구진은 양자 우물(quantum wells)에 기반을 둔 열전 에너지 회수 장비 설계를 연구하였다. 양자 우물 또한 반도체 물질로 이루어졌지만, 이들은 양자점과는 다른 구조와 에너지 필터 속성을 가지고 있다. “우리는 양자 우물이 강력하고도, 효율적인 에너지 회수 장비를 만드는 데 사용될 수 있다는 것을 증명하였다. 양자점에 기반을 둔 이전의 연구와 비교해봤을 때, 양자 우물은 제조하기가 쉽고, 상온에서 작동할 수 있는 가능성을 제공한다”고 이 논문의 공동 저자이자, 스위스 제네바 대학의 물리학자인 Bjorn Sothmann이 말했다. 연구진이 조사하고 있는 이 에너지 회수 장비 설계는 양자우물을 통해서 두 개의 전자 저장소와 연결된 중심부 공동(cavity)으로 구성되어 있다. 이 중심 공동은 이 두 전자 저장소보다 더 높은 온도를 유지하고 있으며, 양자 우물은 특정 에너지의 전자가 통과할 수 있도록 하는 필터의 역할을 한다. 일반적으로, 이 중앙 공동과 저장소 간의 온도차가 클수록, 전자 흐름과 출력 전력이 높아진다. 그들의 분석 결과, 연구진은 이 양자 우물 에너지 회수 장비가 1K의 온도차에서, 약 0.18 W/cm2 의 출력 전력을 제공한다는 것을 발견했으며, 이는 양자점 에너지 회수 장비 전력의 거의 두 배에 가까운 수치이다. 이 증가 전력은 이들의 추가 자유도 결과에 따라서, 양자점에 비해 더 많은 전류를 전달하는 양자 우물의 능력 때문이다. 비록 양자 우물 에너지 회수 장비가 훌륭한 효율성을 가지고 있지만, 이 효율성은 양자점에 기반을 둔 에너지 회수 장비의 그것과 비교해 볼 때, 약간 더 낮다. 연구진은 이 차이가 에너지 필터링의 차이 때문이라고 설명했다. 양자 우물은 일정 수준 이상의 어떠한 에너지 전자도 전송하는 반면, 양자점은 좀 더 선택적이고, 오직 특정 에너지 전자만을 통과시킨다. 그 결과, 양자 우물은 에너지 필터에서는 덜 효율적이다. 양자 우물 에너지 회수 장비는 실 응용에 매우 유망하다. 한 가지 예로, 그것들은 양자점을 이용하는 에너지 회수 장비보다 제작하기가 더 쉽다. 왜냐하면, 양자점은 훌륭한 성능을 얻기 위해서는, 비슷한 속성을 가져야 하지만, 양자 우물은 그러한 요구 사항이 없기 때문이다. 또한, 그것들이 상온에서 작동한다는 사실은 양자 우물 에너지 회수 장비를 전기 회로와 같은 다양한 응용에 적합하도록 만든다. “이 에너지 회수 장비는 컴퓨터 칩에서 나오는 것과 같은 폐열을 전기로 변환하는데 사용할 수도 있다. 이와 같은 장점은 전력 소비를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 칩을 냉각시키는 필요성 또한 제거할 수 있다”고 Sothmann이 말했다. 연구진은 이들 연구가 이러한 장비를 구축하고, 시험하는 과학자들에게 도움을 주길 희망한다. (그림) 그림은 제안된 양자 우물을 이용한 에너지 수확 장치이다. 중앙의 열 지역은 빨강, 양자 우물은 녹색 그리고 냉각 전극은 파랑으로 표시되어 있다. | |
자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다. | |
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