연구원들은 새로운 고체 열 기술의 힘을 활용합니다.

연구원들은 새로운 고체 열 기술의 힘을 활용합니다.
엔지니어는 요청 시 단일 재료가 열전도체이자 절연체가 될 수 있음을 증명합니다.
날짜:
2022년 6월 21일
원천:
버지니아 대학교 공학 및 응용 과학 대학
요약:
연구원들은 보다 에너지 효율적인 전자 장치, 친환경 건물 및 우주 탐사를 약속하는 다용도 열 전도체를 만드는 방법을 발견했습니다. 그들은 전자 장비에 사용되는 알려진 재료가 이제 매우 순수한 형태일 때 열 조절기로도 사용될 수 있음을 입증했습니다. 이 새로운 종류의 재료는 엔지니어가 필요에 따라 열전도율을 높이거나 낮추고 단열재를 도체로 또는 그 반대로 변경할 수 있는 기능을 제공합니다.

버지니아 공과대학의 연구원들은 보다 에너지 효율적인 전자 장치, 친환경 건물 및 우주 탐사를 약속하는 다용도 열 전도체를 만드는 방법을 발견했습니다.

그들은 전자 장비에 사용되는 알려진 재료가 이제 매우 순수한 형태일 때 열 조절기로도 사용될 수 있음을 입증했습니다. 이 새로운 종류의 재료는 엔지니어가 필요에 따라 열전도율을 높이거나 낮추고 단열재를 도체로 또는 그 반대로 변경할 수 있는 기능을 제공합니다.

이 팀은 이번 봄에 Nature Communications : Observation of Solid-state Bidirectional Thermal Conductivity Switching in Antiferroelectric Lead Zirconate에 연구 결과를 발표했습니다.

열전도성 물질의 양방향 제어 또는 "조정"은 극한의 온도에서 작동하거나 극한의 온도 변동을 견뎌야 하는 전자 및 장치에서 특히 유용합니다. 장치가 이러한 가혹한 조건에서 작동해야 하는 시나리오 중 하나는 공간입니다.

박사 학위를 취득한 Kiumars Aryana는 "우주의 온도 변동은 매우 심할 수 있습니다. 이번 봄 UVA에서 기계 및 항공 우주 공학을 전공했으며 Nature Communications 논문의 첫 번째 저자입니다. "이러한 유형의 열 수송 기술은 우주 탐사를 위한 차량과 장치를 만들 때 큰 이점이 될 수 있습니다."

"화성 탐사선은 훌륭한 예입니다."라고 Aryana가 말했습니다. 로버 착륙 지점의 지상 온도는 낮에는 화씨 70도, 밤에는 영하 146도에 이를 수 있습니다. 이러한 광범위한 온도 변화를 통해 전자 장치가 계속 작동하도록 하기 위해 로버는 절연 상자와 히터를 사용하여 구성 요소가 얼지 않도록 하고 라디에이터를 사용하여 타는 것을 방지합니다.

"이 새로운 열 관리 모드는 훨씬 덜 복잡하고 열 조절이 관리하기 더 쉽고 더 빠르다는 것을 의미합니다. 라디에이터 또는 단열재가 가열 또는 냉각을 시작하는 데 오랜 시간이 걸리는 경우 솔리드 스테이트 메커니즘은 거의 즉각적일 것입니다. 빠른 온도 변화를 따라갈 수 있기 때문에 물건이 더 안전해집니다. 난방과 냉방이 계속 유지될 수 있기 때문에 더위나 추위가 오작동을 일으키거나 더 나빠질 가능성이 줄어듭니다."라고 Aryana가 말했습니다.

한편, 여기 지구에서는 건물과 같이 대규모로 냉난방을 관리하고 전자 회로 기판과 같이 소규모로 관리하는 것이 유망한 용도입니다. 더 적은 에너지는 더 친환경적인 기술과 더 낮은 비용과 동일합니다.

이러한 발전은 UVA 엔지니어링의 재료 과학 및 공학 및 전기 및 컴퓨터 공학 부교수인 Jon Ihlefeld와 Whitney Stone 공학 교수이자 기계 및 항공우주 및 엔지니어링 교수이자 Aryana의 고문인 Patrick E. Hopkins 간의 오랜 협력을 계속 이어가고 있습니다.

Ihlefeld-Hopkins 팀은 처음에는 Sandia National Laboratories에서, 지금은 UVA에서 10년 동안 결정질 재료의 조정 가능한 열전도율을 개척했습니다.

조정 가능성은 Ihlefeld의 다기능 박막 연구 그룹의 전문 분야인 강유전체라고 하는 기능 재료 부류에 고유합니다.

Ihlefeld는 "강유전성 물질은 북극과 남극 대신에 양전하와 음전하를 띤다는 점을 제외하면 자석과 같습니다."라고 말했습니다. 강유전성 물질에 전기장 또는 전압이 가해지면 물질 표면의 극성이 반대 상태로 "반전"되어 반대 전압이 적용될 때까지 유지됩니다.

"일반적으로 열전도율은 정적 재료 속성으로 간주됩니다."라고 Hopkins는 말했습니다. "열전도체를 절연체로 변경하려면 구조를 영구적으로 변경하거나 새로운 재료와 통합해야 합니다."

Ihlefeld와 Hopkins의 선행 연구는 전기장으로 열전도율을 낮추는 방법과 열전도율을 높이기 위해 장치 내에 재료를 통합하는 방법을 보여주었지만 동일한 재료로 두 가지를 모두 수행할 수는 없었습니다.

이 프로젝트에서 팀은 열과 전압이 모두 작용하는 반강유전성 재료를 사용했습니다.

Hopkins는 "이 흥미로운 재료가 하는 일은 고체 상태일 뿐만 아니라 비정질 유리와 같은 열전도율 경향을 가진 고품질 결정일 뿐만 아니라 열전도율을 변경할 수 있는 두 개의 고유한 손잡이를 제공한다는 것"이라고 Hopkins는 말했습니다. "우리는 레이저로 결정을 빠르게 가열하거나 전압을 인가하여 열전도율과 열 전달을 능동적으로 조정할 수 있습니다."

"우리는 양방향 열전도율을 테스트하기 위해 납 지르콘산염의 상용 샘플을 사용하려고 시도했지만 작동하지 않았습니다."라고 Aryana가 말했습니다. University of California Berkeley의 재료 과학 및 엔지니어링 학장 교수이자 학과장인 Lane Martin은 극도로 순수한 지르코네이트 납 샘플을 제공했습니다. "Lane의 샘플을 사용하여 우리는 한 번의 버스트에서 열전도율의 38% 양방향 변화를 달성했으며 이는 엄청난 도약입니다."라고 Aryana가 말했습니다.

반강유전성 물질 구조는 본질적으로 양방향입니다. 결정 격자의 가장 작은 반복 단위에서 절반의 극성은 위쪽을 가리키고 다른 절반은 아래쪽을 가리키는 극성을 가지므로 양전하와 음전하가 서로 상쇄됩니다. 가열하면 결정 구조가 변하고 반강유전성이 없어져 열전도율이 높아집니다. 전기장을 가하면 반대 현상이 발생합니다. 즉, 재료가 강유전체로 변형되고 열전도율이 감소합니다. 전압이 제거되면 순 극성은 0으로 돌아갑니다.

극성 반전과 반강유전성 구조를 지지하는 결정의 원자 배열은 관찰 가능하고 측정 가능한 열 산란 현상을 유발합니다. 이는 열 신호와 같은 것으로 에너지가 예측할 수 있는 방식으로 물질을 통해 확산된다는 것을 의미합니다. 통제된.

열 공학 연구 그룹의 Hopkins 실험 및 시뮬레이션 구성원은 재료의 레이저 측정에서 많은 발전을 이루었습니다. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 논문은 학생들이 세 번째 레이저를 사용하여 반강유전성에서 상유전성 구조로의 전환을 통해 반강유전성 필름을 변조하는 급속 가열 이벤트를 유발하여 아래에서 분극될 수 있는 능력을 부여하는 광학 온도계 기반 실험의 혁신을 제시합니다. 적용된 전기장.

기술에 영향을 미치기 위해 엔지니어는 훨씬 더 많은 비율의 열을 빠르게 이동하거나 저장하기 위해 더 큰 "켜기-끄기" 스위치가 필요합니다. 연구팀의 다음 단계는 재료의 한계를 더 잘 정의하기 위한 작업을 포함하여 더 높은 스위칭 비율을 가진 새로운 재료를 설계하여 능동적으로 조정 가능한 열전도성 재료의 사용을 가속화할 수 있습니다.