본 학위논문에서는 Zr2FeNiSb2 기반 더블 하프-호이슬러(double half-Heusler) 합금의 열전 성능 최적화를 위한 다각적인 전략을 제시하였으며, 특히 격자 결함의 이론적 모델링과 실험적으로 관찰된...
본 학위논문에서는 Zr2FeNiSb2 기반 더블 하프-호이슬러(double half-Heusler) 합금의 열전 성능 최적화를 위한 다각적인 전략을 제시하였으며, 특히 격자 결함의 이론적 모델링과 실험적으로 관찰된 열 수송 특성 간의 격차를 해소하는 데 중점을 두었다. 이를 위해 Debye–Callaway 모델을 포괄적으로 고찰하였으며, 최대 아홉 가지의 개별적인 포논 산란 메커니즘을 재료 및 결함의 물리적 특성과 연계하여 모델의 적용 가능성을 체계적으로 정리하였다. 이러한 고찰을 토대로, 독립적으로 구동 가능한Debye–Callaway 시뮬레이터를 새롭게 개발하였다. 본 프로그램은 격자 열전도도의 이론적 예측과 실험 데이터를 통합하여 열전 재료의 미세구조 공학을 가속화하고, 그 결과로서 체계적인 최적화를 가능하게 하는 실용적인 도구로 활용될 수 있음을 입증하였다.
Zr2FeNiSb2 계의 열전 및 기계적 물성을 내재적 Fe/Ni 비율 조절과 외재적 Co 단일 도핑을 통해 체계적으로 고안하였으며, p-형과 n-형 조성 간에 뚜렷하고 비대칭적인 반응을 관찰하였다. p-형 조성의 경우, 도펀트 용해도 저하, 유해한 벌크 개재물 형성, 격자 경화 등과 같은 고유한 재료적 한계로 인해 zT의 향상이 미미하였다. 반면, n-형 조성에서는 전자 도너 효과, 밴드 구조의 유리한 변화, 도펀트 유도 다중 스케일 포논 산란, Co 도핑에 따른 격자 연화 및 무질서 증가 등의 복합적인 메커니즘이 작용하여 열전 성능이 크게 향상되었다. 이러한 복합적인 효과는 파워팩터와 열수송 특성을 동시에 크게 향상시켰고, 그 결과, Zr2Fe0.4Co0.6NiSb2와Zr2Fe0.7Ni1.3Sb2에서 각각 0.51, 0.43의 zT 값을 달성하였으며, 이는 기존 Zr2FeNiSb2(0.001) 대비 현저한 개선을 나타낸다. 열전 성능과 더불어, 이러한 전략은 기계적 강도 향상에도 기여하였으며, 비커스 경도는 기존 시료 대비Zr2Fe0.7Ni1.3Sb2와 p-형 Zr2Fe0.4Co0.6NiSb2에서 각각 9%, 24% 증가하였다. 실용화 가능성은 단일 다리형 열전 발전기(unileg thermoelectric generator)의 제작 및 출력 특성 평가를 통해 검증되었으며, Zr2Fe0.4Co0.6NiSb2의 경우 기존 시료 대비 최대 출력 전력이 273% 향상됨을 확인하였다.
종합적으로, 본 연구는 Zr2FeNiSb2 계에서 p-형 성능의 최적화는 여전히 제약을 받는 반면, n-형 조성은 고효율 열전 재료 개발을 위한실질적이며 조절 가능한 경로를 제시함을 보여주었다. 나아가, 하프-호이슬러 합금에서의 전하 운반자 유형 의존적 최적화에 대한 이해를 확장하는 데 그치지 않고, 차세대 열전 재료 설계전략 수립에 기여할 수 있는 방법론적 계산적 도구를 제공한다.