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전지·에너지 재료

열전 성능 지수 ZT를 크게 하는 방침으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A캐리어 농도를 금속만큼 높이면 제베크 계수와 전기 전도도가 함께 커지므로 ZT가 크게 올라간다
  2. B전기 전도도를 낮추고 열전도율을 높이면 열이 소자 속을 빠르게 전달되므로 양 끝에 온도차가 생기기 쉬워져 ZT가 올라간다
  3. C나노 구조나 무거운 원자로 포논을 산란시켜 격자 열전도율을 낮추고, 전기 전도는 되도록 방해하지 않도록 한다
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정답: C. 나노 구조나 무거운 원자로 포논을 산란시켜 격자 열전도율을 낮추고, 전기 전도는 되도록 방해하지 않도록 한다

ZT = S²σT/κ를 크게 하려면 제베크 계수 S와 전기 전도도 σ를 높이고 열전도율 κ를 낮춰야 합니다. 그런데 캐리어 농도를 높이면 σ는 증가하지만 S는 작아지고, 전자가 운반하는 열전도(비데만-프란츠 법칙)도 늘어나므로, 최적의 캐리어 농도는 10¹⁹~10²⁰ cm⁻³ 정도의 축퇴에 가까운 반도체가 됩니다. 금속만큼 높이면 S가 지나치게 작아집니다. 그래서 열의 대부분을 운반하는 포논만을 나노 구조의 계면이나 무거운 원자의 래틀링으로 산란시켜 격자 열전도율을 낮추는 것이 유력한 방침이며, '포논은 유리처럼, 전자는 결정처럼'이라고 표현됩니다. σ를 낮추고 κ를 높이는 것은 ZT를 낮추는 방향입니다.

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