고성능 열전(TE) 소재를 확보하는 데 있어 주요 병목은 전기적 및 열적 파라미터 간의 강한 상호연관성을 어떻게 분리(디커플링)하는가에 있다고 규명된다. 여기서는 분말 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 기술에 기반한 정밀 계면 개질 접근법을 제시하여 CuNi 합금의 성능을 향상시킨다. ZnO 및 Al2O3 층과 이들의 조합을 분말 표면에, 일반적으로 10–100 ALD 사이클 동안 증착하고, 벌크에서의 열전 성능에 미치는 영향을 면밀히 조사한다. 에너지 필터링 효과에 의해 유도되는 제벡 계수(Seebeck coefficient)의 향상은, 산화물 층의 낮은 전기전도도로 인한 전기전도도 열화(저하)를 보상한다. 또한 산화물 층은 음향자(phonon) 산란을 유의미하게 증가시킬 수 있다. 따라서 도금(코팅) 층의 저항률을 낮추기 위해, ZnO 표면에 Al2O3를 삽입하여 다층 구조를 분말 표면에 증착한다. 정밀 미세구조 특성화 결과, 압착 후 Al 원자가 ZnO로 확산되어 도핑 효과를 구현함을 확인하였다. Al 확산은 도금 층의 전기전도도 증가 및 층 구조의 복잡성 증대 잠재력을 가진다. 순수 CuNi에 비해, 상(phase) 경계에서의 저항률 감소 및 더 강한 포논 산란에 의해 zT가 128% 증가한다.

열전 소재의 성능은 통상 무차원 성능지표인 zT로 평가된다. zT의 증가는 전기 및 열 수송 특성 간의 복잡한 상관관계로 인해 도전적이다. 본 연구는 본질적으로 낮은 격자 열전도도로 인해 고온 응용에 유망할 것으로 예측되는 Y 2 Te 3 기반 열전 소재에 초점을 맞춘다. 전자적 및 구조적 특성에 대한 영향을 탐색하기 위해, 여분의 Y를 포함한 일련의 Y 2+ x Te 3 조성을 합성하였다. 밀도범함수이론 계산은 추가적인 Y 원자가 전하 운반자를 증가시켜 전기 전도성을 향상시키고 열전 성능을 증진함을 시사한다. X선 회절 분석 결과, 여분의 Y의 존재는 격자 부피를 감소시키고 결합 구조를 변화시키는 것으로 나타났다. 또한 Bi의 첨가는 원소 Bi 입자의 분리를 촉진하고 Y-Bi-풍부 과립계(grain boundaries)를 형성함으로써 전력인자(power factor)를 크게 향상시키며, 이는 가중 이동도(weighted mobility)를 개선한다. 이러한 미세구조 최적화는 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 4배 증가시켜, 973 K에서 zT 1.23의 피크 값을 달성하고, 온도차 673 K에서 예측 최대 전환 효율 10.3%를 나타내었다. 본 연구 결과는 고온 열전 응용에서 Y 2 Te 3의 잠재력을 보여주며, 과립계 공학(grain boundary engineering)을 통해 열전 성능을 향상시킬 수 있음을 입증한다.

고성능 열전(TE) 소재를 확보하는 데 있어 주요 병목은 전기적 및 열적 파라미터 간의 강한 상호연관성을 어떻게 분리(디커플링)하는가에 있다고 규명된다. 여기서는 분말 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 기술에 기반한 정밀 계면 개질 접근법을 제시하여 CuNi 합금의 성능을 향상시킨다. ZnO 및 Al2O3 층과 이들의 조합을 분말 표면에, 일반적으로 10–100 ALD 사이클 동안 증착하고, 벌크에서의 열전 성능에 미치는 영향을 면밀히 조사한다. 에너지 필터링 효과에 의해 유도되는 제벡 계수(Seebeck coefficient)의 향상은, 산화물 층의 낮은 전기전도도로 인한 전기전도도 열화(저하)를 보상한다. 또한 산화물 층은 음향자(phonon) 산란을 유의미하게 증가시킬 수 있다. 따라서 도금(코팅) 층의 저항률을 낮추기 위해, ZnO 표면에 Al2O3를 삽입하여 다층 구조를 분말 표면에 증착한다. 정밀 미세구조 특성화 결과, 압착 후 Al 원자가 ZnO로 확산되어 도핑 효과를 구현함을 확인하였다. Al 확산은 도금 층의 전기전도도 증가 및 층 구조의 복잡성 증대 잠재력을 가진다. 순수 CuNi에 비해, 상(phase) 경계에서의 저항률 감소 및 더 강한 포논 산란에 의해 zT가 128% 증가한다.

열전 소재의 성능은 통상 무차원 성능지표인 zT로 평가된다. zT의 증가는 전기 및 열 수송 특성 간의 복잡한 상관관계로 인해 도전적이다. 본 연구는 본질적으로 낮은 격자 열전도도로 인해 고온 응용에 유망할 것으로 예측되는 Y 2 Te 3 기반 열전 소재에 초점을 맞춘다. 전자적 및 구조적 특성에 대한 영향을 탐색하기 위해, 여분의 Y를 포함한 일련의 Y 2+ x Te 3 조성을 합성하였다. 밀도범함수이론 계산은 추가적인 Y 원자가 전하 운반자를 증가시켜 전기 전도성을 향상시키고 열전 성능을 증진함을 시사한다. X선 회절 분석 결과, 여분의 Y의 존재는 격자 부피를 감소시키고 결합 구조를 변화시키는 것으로 나타났다. 또한 Bi의 첨가는 원소 Bi 입자의 분리를 촉진하고 Y-Bi-풍부 과립계(grain boundaries)를 형성함으로써 전력인자(power factor)를 크게 향상시키며, 이는 가중 이동도(weighted mobility)를 개선한다. 이러한 미세구조 최적화는 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 4배 증가시켜, 973 K에서 zT 1.23의 피크 값을 달성하고, 온도차 673 K에서 예측 최대 전환 효율 10.3%를 나타내었다. 본 연구 결과는 고온 열전 응용에서 Y 2 Te 3의 잠재력을 보여주며, 과립계 공학(grain boundary engineering)을 통해 열전 성능을 향상시킬 수 있음을 입증한다.

다수의 열전 재료는 복잡한 미세구조의 이점을 얻는다. 나노결정 열전에서의 결정립계(grain boundaries, GBs)는 포논을 산란시켜 열전도도를 감소시키는 바람직한 효과를 가지지만, 종종 전하 운반자를 산란시켜 전기전도도의 원치 않는 손실을 유발한다. 따라서 결정립계를 수정하여 그 전기적 저항성을 억제하는 것은 열전 성능의 향상, zT 향상에서 핵심적인 역할을 한다. 본 연구에서는 주사 투과 전자현미경(scanning transmission electron microscopy)과 원자 탐침 단층촬영(atom probe tomography)을 결합하여 Ti가 도핑된 NbFeSb 반(半)－하프-히슬러(half-Heusler) 화합물에서 결정립계 상(phase)의 서로 다른 특성을 규명하였다. 결정립계 상은 반(半)－하프-히슬러 결정립과 구조적으로 구별되는 육방 조밀 충전(hexagonal close-packed) 격자를 채택한다. Nb 0.95 Ti 0.05 FeSb에서는 결정립계에서 Fe의 농축이 관찰되지만, Nb 0.80 Ti 0.20 FeSb에서는 결정립계에서 Ti 도펀트의 축적이 관찰되며, 이는 각각의 결정립계 상이 보이는 나쁜 전기전도도와 좋은 전기전도도와 상관된다. 이러한 저항성에서 전도성으로의 결정립계 상 전이는 열전 재료에서 전자 수송과 포논 수송이 얽힌 관계를 분리하기 위한 새로운 설계 공간을 열어준다.

이는 음향 포논들 사이의 산란을 더 강하게 만들어 포논 군속도가 낮아지고 포논 수명이 감소하게 한다. 이러한 결과는 B-site 치환(perovskite) 재료의 격자 열전도도 감소의 기원과 전기적 안정성 향상에 대한 이해에 중요한 기여를 한다.

음이온 교환막 물 전기분해. 논문 2405468호에서 EunAe Cho, Chanwon Jung, MinJoong Kim 및 동료 연구진은 Fe-Co-Ni 전기촉매의 삼원 조성들이 결정성의 정도와 산소발생활성(OER) 사이에 상관관계가 있음을 보여준다. 21가지 계열의 삼원 조성을 분석한 결과, 최적의 조성과 구조적 무질서를 갖는 Fe-Co3-Ni 전기촉매는 향상된 OER 활성과 안정성을 나타내며, 지속가능한 그린 수소 생산에 기여한다.

나노구조화된 물질은 통상적으로 벌크 잉곳을 볼 밀링(ball milling)으로 기계적 합금화한 다음, 분말 소결(powder sintering)을 통해 치밀화하여 합성한다. 그러나 기존 접근법은 미세구조를 정밀하게 제어하는 능력에 한계가 있다. 반면, 비정질 전구체로부터의 나노결정화(nanocrystallization)는 나노구조를 설계하는 데 있어 보다 유연하고 제어 가능한 경로를 제공한다. 이 접근법은 온도 및 시간과 같은 열처리(annealing) 인자를 세밀하게 조정함으로써 결정화 동역학과 미세구조의 진화를 정밀하게 조절할 수 있게 한다. 원자탐침단층촬영(atom probe tomography, APT)과 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)과 같은 고급 특성분석 기법은 비정질 합금에서의 기본적인 결정화 거동을 규명하는 데 도움을 준다. 본 연구에서는 열처리 동안 비정질 NbCoSn 합금의 나노스케일 구조 진화를 조사하기 위해 APT와 TEM을 결합한 상관 분석(correlative analytical) 방법론을 적용하였다. APT는 조성 분포와 원소 분리(segregation)를 3차원, 원자 수준에서 매핑하는 정보를 제공하였으며, TEM은 결정학적 구조, 결정립 형상(grain morphology), 분리 거동(segregation behavior)에 대한 상보적인 통찰을 제공하였다. 이러한 통합 접근법은 결정화 거동에 대한 포괄적인 이해를 제공하고, 비정질 전구체의 제어된 나노결정화(controlled nanocrystallization)를 통해 고성능 재료를 합리적으로 설계하기 위한 기반을 마련한다.

열적으로 안정한 금속 유리(MGs)의 합성으로서, 기계적으로 견고하며 고온에서 조절 가능하다는 점은 핵심적인 연구 과제로 남아 있다. 대부분의 전략은 결정화(소산) 저항성을 향상시키기 위한 복잡한 MG 조성에 초점을 맞추고 있으나, 우리는 완전한 비정질 나노라미네이트(NLs) 제조에 기반한 단순한 미세구조적 접근이, 기계적 변형에 대한 강한 저항성을 유지하면서도 이원계 ZrCu 시스템에 대해서조차 열적 안정성을 유의하게 연장할 수 있음을 보여준다. 또한, 어닐링에 의해 유도되는 원자 구조의 변화(완화 또는 부분 결정화)를 조사하였다. 330 °C까지의 어닐링 처리( T < T g , 유리 전이 온도)는 HRTEM과 파단 표면에서의 요철(corrugations) 감소로 확인되듯이 비정질 구조를 유지하면서 원자 구조 완화 및 자유부피(free volume) 소멸을 유도한다. 더불어 화학적 상호확산에 의한 강한 층 간 혼합을 보고하며, 이는 결정화의 개시를 지연시켜 420 °C까지 완전한 비정질 구조를 유지하는 우수한 열적 안정성을 초래하며, 이는 개별 층의 결정화 온도(각각 Zr 24 Cu 76 /Zr 61 Cu 39 에 대해 320 및 360 °C)보다 유의하게 높다. T > T g (약 420 °C)에서의 어닐링은 NL 특성이 없는 완전히 균질한 구조를 형성하며, 부분 결정화를 동반하여 Cu-Zr 기반 금속간 화합물과 Zr-산화물 상을 만든다. 구조적 완화와 나노결정(nanocrystal) 형성으로 인해 더 높은 온도에서 탄성률과 경도가 증가함을 보였으며, 60분간 420 °C에서 최대 경도(7.6 ± 0.2 GPa)가 얻어졌고 이는 증착 조건 대비 약 20% 높은 값이다. 이러한 결과는 MG의 미세구조를 조절하여 열적 안정성을 향상시키고 기계적 성질을 조율할 수 있는 잠재력을 강조하며, 이는 첨단 재료 응용에 유익할 수 있다.