Fe₂TiSn 열전재료에 대한 연구

위대한 령도자 김정일동지께서는 다음과 같이 교시하시였다.

《새로운 과학기술분야를 개척하기 위한 사업도 전망성있게 밀고나가야 합니다. 나라의 과학기술을 세계적수준에 올려세우자면 발전된 과학기술을 받아들이는것과 함께 새로운 과학기술분야를 개척하고 그 성과를 인민경제에 적극 받아들여야 합니다.》 (《김정일선집》 증보판 제11권 138~139페지)

열전변환에 기초한 전기에네르기생산은 페열에서부터의 직접발전을 실현할수 있는것으로 하여 오늘날 에네르기문제를 해결하는데서 중요한 의의를 가진다. 그러나 지금까지의 열전재료들은 대부분 Te, Bi, Sb, Pb 등 희유금속이나 독성원소들을 포함하고있으며 특히 저온열전재료분야에서는 Bi₂Te₃열전재료이외에는 상업화되여있는 재료가 현재까지 개발되지 못하였다. 최근에 호이슬러구조를 가지는 Fe₂TiSn에 대한 실험연구 및 리론연구들은 이 재료가 저온대역에서 높은 열전특성을 가지면서도 저원가의 원소들에 기초하고있는것으로 하여 과학자들의 관심을 모으고있다.

김일성종합대학 에네르기과학부에서는 열전랭각기술과 열전기생산에 효과적으로 리용될수 있는 저원가열전재료인 Fe₂TiSn의 개발을 연구과제로 선정하고 심도있는 연구사업을 벌려 재료의 물리적 및 열전기적특성을 리론적으로 해명하였으며 Si원소의 치환효과를 통한 열전변환특성의 향상과 재료의 제조, 그 응용에 대한 연구를 진행하였다.

연구결과에 의하면 Fe₂TiSn열전재료에서 Si의 치환은 재료의 기계적특성과 열전기특성을 향상시킬뿐 아니라 열전재료에서 가장 중요한 지표인 열전도도를 감소시킨다. Sn원소에 대한 Si원소치환이 25%인 Fe₂TiSn0.75Si0.25재료가 300~500K범위에서 가장 우수한 열전특성을 가진다.

그림. 온도에 따르는 Fe₂TiSn0.75Si0.25재료의 제베크곁수와 열전도도변화

Si가 치환된 Fe₂TiSn열전재료의 제조는 50h의 기계적합금화와 1 150℃에서의 플라즈마소결처리공정을 통하여 진행되였으며 현재 이 재료를 리용한 열전변환체계실현을 위한 연구사업이 진행되고있다.

연구결과들은 열전재료분야에서 세계적인 과학리론잡지《Journal of Electronic Materials》(Vol. 46, No. 10, 2017, 6038-6044)에 《Stability and Elastic, Electronic, and Thermodynamic Properties of Fe₂TiSi1− xSnx Compounds》(https://doi.org/10.1007/s11664-017-5564-z), 잡지《Journal of Alloys and Compounds》(VOL. 693, 2017, 462-467)에 《Theoretical investigation of stabilities and physical properties of low cost Fe-based full-Heusler materials》(http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.216)의 제목으로 발표되였다.