냉각 재료 -- 3D 프린터에서 나온 것

빠르고 국소적인 열 관리가 전자 기기에 필수적이며, 웨어러블 소재에서 화상 치료에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 소위 열전 소재는 온도 차이를 전기 전압으로 변환하고 그 반대로도 변환하지만, 효율성이 제한적이고 생산 비용이 많이 들고 낭비적입니다.

Science 에 게재된 새로운 논문에서 오스트리아 과학기술 연구소(ISTA)의 연구원들은 3D 프린팅 기술을 사용하여 고성능 열전 소재를 제작하여 생산 비용을 크게 줄였습니다.

열전 냉각기, 솔리드 스테이트 냉장고라고도 하며, 전류를 사용하여 장치의 한 쪽에서 다른 쪽으로 열을 전달하여 국소 냉각을 유도할 수 있습니다. 긴 수명, 누출에 대한 무적성, 크기 및 모양 조정 가능성, 움직이는 부품(예: 순환 액체)이 없기 때문에 이러한 장치는 전자 제품과 같은 다양한 냉각 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 잉곳으로 제조하는 것은 비용이 많이 들고 많은 재료 낭비가 발생합니다. 게다가 장치의 성능은 제한적입니다.

현재 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)의 한 팀은 Verbund 에너지 과학 교수 이자 Werner Siemens 열전 연구소 소장인 Maria Ibáñez가 이끌고, 첫 번째 저자이자 ISTA 포스트닥인 Shengduo Xu와 함께 3D 프린터에서 고성능 열전 소재를 개발하여 열전 냉각기를 제작했습니다. Xu는 "3D 프린팅을 열전 냉각기 제작에 혁신적으로 통합함으로써 제조 효율성을 크게 개선하고 비용을 절감할 수 있습니다."라고 말했습니다. 또한 이전의 3D 프린팅 열전 소재 시도와 달리, 현재 방법은 성능이 상당히 높은 소재를 생산합니다. ISTA의 Ibáñez 교수는 "상업적 수준의 성능을 갖춘 저희의 연구는 학계를 넘어 실제적인 관련성을 갖고 실제 적용을 추구하는 산업의 관심을 끌 수 있는 잠재력이 있습니다."라고 덧붙였습니다.

열전 기술의 경계를 넓히다

모든 재료가 어느 정도 열전 효과를 보이지만, 종종 너무 미미해서 유용하지 않습니다. 충분히 높은 열전 효과를 보이는 재료는 일반적으로 소위 "퇴화 반도체", 즉 "도핑된" 반도체로, 불순물을 의도적으로 도입하여 도체처럼 동작합니다. 현재 최첨단 열전 냉각기는 주괴 기반 제조 기술을 사용하여 생산됩니다.

이는 생산 후 광범위한 가공 공정이 필요한 값비싸고 전력 소모가 많은 절차로, 많은 재료가 낭비됩니다. "현재 작업을 통해 열전 재료의 필요한 모양을 정확히 3D로 인쇄할 수 있습니다.

또한, 결과물은 공기 중에서 50도의 순 냉각 효과를 보입니다. 즉, 3D로 인쇄된 재료는 제조 비용이 상당히 더 많이 드는 재료와 비슷한 성능을 보입니다."라고 Xu는 말합니다. 따라서 ISTA 재료 과학자 팀은 에너지 집약적이고 시간이 많이 걸리는 단계를 우회하여 열전 재료에 대한 확장 가능하고 비용 효율적인 생산 방법을 제안합니다.

최적화된 입자 결합을 갖춘 인쇄물

팀은 3D 프린팅 기술을 적용하여 열전 재료를 생산하는 것 외에도, 운반 용매가 증발함에 따라 입자 사이에 효과적이고 견고한 원자 결합이 형성되어 원자적으로 연결된 재료 네트워크를 생성하도록 잉크를 설계했습니다.

그 결과, 계면 화학 결합은 입자 사이의 전하 이동을 개선합니다. 이는 팀이 3D 프린팅 재료의 열전 성능을 향상시키는 동시에 다공성 재료의 수송 특성에 대한 새로운 시각을 제공하는 방법을 설명합니다.

Ibáñez는 "우리는 압출 기반 3D 프린팅 기술을 채택하고 인쇄된 구조의 무결성을 보장하고 입자 결합을 강화하도록 잉크 제형을 설계했습니다. 이를 통해 재료와 에너지를 절약하면서 잉곳 기반 장치와 비슷한 성능을 가진 인쇄된 재료에서 최초의 열전 냉각기를 생산할 수 있었습니다."라고 말합니다.

의료 응용 프로그램, 에너지 수확 및 지속 가능성

전자 및 웨어러블 기기의 빠른 열 관리를 넘어, 열전 냉각기는 화상 치료 및 근육 긴장 완화를 포함한 의료적 응용 분야를 가질 수 있습니다. 또한, ISTA 과학자 팀이 개발한 잉크 제형 방법은 고온 열전 발전기(온도 차이에서 전압을 생성할 수 있는 장치)에 사용되는 다른 재료에 적용할 수 있습니다. 팀에 따르면, 이러한 접근 방식은 다양한 폐기물 에너지 수확 시스템에서 열전 발전기의 적용 가능성을 확대할 수 있습니다.

"우리는 원자재의 열전 성능을 최적화하는 것부터 안정적이고 고성능의 최종 제품을 제조하는 것까지 풀 사이클 접근 방식을 성공적으로 실행했습니다."라고 Ibáñez는 말합니다.

Xu는 "우리의 연구는 열전 장치 생산을 위한 혁신적인 솔루션을 제공하고 효율적이고 지속 가능한 열전 기술의 새로운 시대를 예고합니다."라고 덧붙입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250220164241.htm