KR101034794B1

KR101034794B1 - 상전이조성물, 이의 제조방법 및 상전이조성물을 이용한 모듈의 제조방법

Info

Publication number: KR101034794B1
Application number: KR1020080121623A
Authority: KR
Inventors: 이석배
Original assignee: 주식회사 퀀텀에너지연구소
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2011-05-17
Also published as: JP2012510555A; CN102257093B; CN102257093A; JP5474999B2; EP2370540A1; US20110232067A1; WO2010064756A1; KR20100063215A

Abstract

본 발명은 상전이조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 모듈의 제조방법을 개시한다.

배위결합이 가능한 금속이온 및 상기 금속이온이 되는 금속을 용해할 수 있는 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이조성물과 금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소를 제거하는 단계(S1단계)와, 상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 용기에 주입하고 상기 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 연결장치를 체결하는 단계(S2단계)와, 상기 연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계(S3단계)와, 상기 용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계(S4단계)와, 상기 용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 상기 용액이 팽창하며 상기 연결장치를 통하여 흘러나오는 단계(S5단계);를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이조성물의 제조방법 및 이를 이용한 모듈의 제조방법은 열로 손실되는 에너지를 전기에너지화하여 고효율적인 전기에너지를 생산할 수 있으며, 더 나아가 컴퓨터와 같은 전자기기장치에서 발생되는 열을 효과적으로 방출해낼 수 있는 상전이조성물 및 이를 이용한 모듈을 제공할 수 있게 된다.

상전이조성물, 제조방법, 모듈

Description

상전이조성물, 이의 제조방법 및 상전이조성물을 이용한 모듈의 제조방법{Phase-transition composite, method of manufacturing thereof, method of manufacturing module with phase-transition composite}

본 발명은 상전이조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 모듈의 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 열로 손실되는 에너지를 전기에너지화하여 고효율적인 전기에너지를 생산할 수 있으며, 더 나아가 컴퓨터와 같은 전자기기장치에서 발생되는 열을 효과적으로 방출해낼 수 있는 상전이조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 모듈의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 열발전시스템은 열에너지를 전기에너지로 변환하는 기술로서 써모일렉트릭 파워 제너레이션(Thermoelectric Power Generation:TPG)으로 일컬어지며, 이러한 열에너지를 전기에너지로 변환될 수 있는 특성을 보이는 다양한 열전물질에 대한 오랜 연구가 진행되고 있다.

이러한 분야에서 현재까지 개발도니 최고의 효율을 내는 시스템은 접합반도체(n형-p형 반도체접합)를 이용한 열전 발전시스템으로 효율적인 측면에서 대략 15% 전후의 출력을 얻을 수 있어서 상용화는 되어 있으나 효율성이 매우 낮다.

위 <표 1>을 참조하면 다양한 발전시스템에 따른 변환효율을 확인할 수 있다.

한편, 상기 열전물질의 특성은 다음의 제벡계수를 포함한 형태의 피겨메리트(Figure of Merit) 형태로 표현해 볼 수 있는데, 이를 아래 <수학식 1, 2>를 통하여 정의한다.

(제벡 계수)

위 <수학식 2>에 나타난 피겨메리트는 x-y좌표로도 나타낼 수 있는데 이는 도 1에 나타낸다. 도 1은 열전달물질의 특성인 피겨메리트 그래프이다.

이를 참조하면, 제벡계수는 그 단위가 보통 ㎶/K으로 1켈빈(K)당 만들어지는 전압의 양으로 표현되며 현재까지 최대 1200㎶/K을 내는 물질을 사용하는 것이 있는데 예를 들면 규소-규소게르마늄 양자우물 열전물질(Si/SiGe Quantum Well Thermoelectric materials)이 이에 해당한다.

이러한 물질의 경우 10켈빈의 온도차에 대하여 약 0.012V정도의 전압차를 보이며 이에 해당하는 피겨메리트는 약 4.4 정도인 것으로 알려져 있다.

한편, 열전발전 시스템의 원리를 살펴보면, 온도차에 의하여 전자밀도의 변화가 유도되어 전압이 생성되는 현상을 이용하는 것이다. 즉, 온도 변화에 따른 자유 전자가 발생하고 이러한 자유 전자들의 분포에 의하여 부위별로 밀도의 차이가 발생하여 결과적으로 전위가 생성되는 것이다.

앞서 언급한 접합반도체에 대하여 도 2를 참조하여 그 상세하게 원리를 볼 수 있다. 도 2를 참조하면 외부의 열흡수부(Absorbed Heat)에서 열을 흡수하여 외부의 열방출부(Released Heat)로 열을 방출하는 동시에 이러한 온도차이에 의하여 n형 반도체에서는 열흡수부에서 열방출부로 자유전자의 이동(Electron Flow)이 일어나며 p형 반도체에서는 열흡수부에서 열방출부로 정공의 이동(Hole Flow)이 일어난다.

따라서, 이러한 n형반도체와 p형반도체를 복수개로 교대로 전기적인 회로를 구성하면 그 양끝단에서는 전위의 차이가 발생하게 된다.

그러나, 상기 n형-p형반도체 접합은 15% 이상의 변환효율을 낼 수 없으며, 통상적인 사용이 예상되는 상온 정도의 온도차이에서 얻을 수 있는 전압의 차이가 미약한데, 반대로 작업현장에서 사용가능한 일정 전압을 얻기 위하여 수십 내지 수 백 켈빈의 온도차이를 필요로 하는 단점이 있다.

또한, 상기 n형-p형반도체 접합은 실제로 사용할 수 있는 물질들이 매우 제약되어 있고, 이러한 물질들 역시 무게와 부피가 매우 커서 활용하기 어려우며 따라서 휴대용으로 이용하기에 거의 불가능하다.

아울러, 가동중에 다량의 열이 발생하여 효율이 진행성으로 저감되고 높은 전력생산에 실용화가 어려운 형편이다.

한편, 최근 초고밀도 직접회로를 이용한 컴퓨터 시스템이 개발되고 있는데, 상업적으로 컴퓨터 자체의 에너지 효율적인 측면에서 직접회로가 만들어 내는 열을 분산시키는 소재의 개발이 계속적으로 요구되고 있는 실정이다. 이러한 분야에서도 앞서 설명된 열전물질의 특정을 역으로(inversely) 이용하여 전압을 인가함에 따라 시스템을 냉각시킬 수 있는 원리를 이용하여 열원을 분산시키는 기술도 함께 연구가 집중되기도 한다.

상술한 열분산이 필요한 분야에서 주제(Theme)는 크게 2가지로 나누어 볼 수 있는데, 먼저 앞서 언급된 열전물질을 이용하는 방식과 다양한 온도에서 상전이(multi-phase transition:MPT)를 할 수 있는 물질의 상전이시 나타나는 잠열(Latent heat)을 이용하여 열을 흡수하는 방식이 있다.

위 열분산시스템에서 열전현상을 이용하는 펠티에 현상(Peltier effect)의 응용의 경우는 열원 주변에 새로운 전원을 추가하여 냉각 시키는 방법으로 직접되어 있는 컴퓨터의 중앙 처리 장치(CPU)로부터 열원 직접 냉각 시키는 특성을 이용하지만, 외부에 연결되어 있는 반대 부분에는 열역학 제2법칙에 의해 더 많은 양의 열이 생성되며, 결과적으로는 열원의 위치를 밖으로 빼내게 된다.

이러한 경우 열전달 물질의 특성에 따라 냉각의 특성이 결정되며, 접촉(contact)방식으로 열을 뽑아내는 경우 두께가 5mm정도인 펠티에 소자를 중복하여 연결함으로써 열을 냉각 시키게 되어 무게와 부피가 매우 커지는 심각한 단점이 있으며, 자신의 냉각 한계를 넘어서게 되면 제대로 된 작동을 수행하지 못하고, 주변의 온도를 더욱 높이는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 열분산 시스템에서 다중 상전이 물질을 이용하여 열원을 분산시키는 방법에 대하여서는 물질 자체가 가지고 있는 잠열의 크기와 종류(상의 다중성)에 의존하여 열을 흡수 하는 특성을 가지고 있는 새로운 물질을 개발할 필요성이 대두되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 열로 손실되는 에너지를 전기에너지화하여 고효율적인 전기에너지를 생산할 수 있으며, 더 나아가 컴퓨터와 같은 전자기기장치에서 발생되는 열을 효과적으로 방출해낼 수 있는 상전이조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.

삭제

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 기술적 과제는 열로 손실되는 에너지를 전기에너지화하여 고효율적인 전기에너지를 생산할 수 있으며, 더 나아가 컴퓨터와 같은 전자기기장치에서 발생되는 열을 효과적으로 방출해낼 수 있는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 첫번째 기술적 과제를 해결하기 위하여,

본 발명은, 금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소를 제거하는 단계(S1단계); 상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 용기에 주입하고 상기 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 연결장치를 체결하는 단계(S2단계); 상기 연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계(S3단계); 상기 용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계(S4단계); 상기 용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 잔여 용매의 기화로 인해 제조된 상전이조성물만을 남기면서 상기 용액이 팽창하도록 하는 단계(S5단계)를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이조성물의 제조방법이 제공된다.
이에 상기 S5단계에서 상기 용액이 팽창되어 연결장치를 통하여 용액이 흘러나오도록 하여, 그 색을 확인할 수 있는 상태에서, 상기 용액의 색깔이 진한 남색이 되도록 상기 S3단계부터 반복하는 단계가 더 포함되어 구비될 수 있다.
또한 상기 금속의 금속이온과 리간드는 화학식 1에 의한 가역적 다단계 상전이(Reversible Multi-step phase-transitions) 특성을 가지도록 구비되고, 상기 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 되고, 상기 리간드의 용매는 암모니아가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 하는 상전이조성물의 제조방법.
(화학식 1)
[M(R)_n]^+a+ ae^-

[M(R)_n-a] + aR -Q_n(J) (in L)
(M:금속이온, R:리간드, n=1,2,…,6, a=1,2,…,6, 그리고 Q_n(J):n번째 상전이 단계의 잠열량, L : Liquid)
그리고 상기 금속이온과 리간드의 결합 비율은 몰비로 1:0.1 내지 1:6이 되도록 구비되는 것이다.
또한 본 발명은, 금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소를 제거하는 단계(S6단계); 상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 제1용기와 제2용기에 각각 주입하고 각각의 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 제1연결장치 및 제2연결장치를 각각 체결하는 단계(S7단계); 상기 제1,2연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 제1,2연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계(S8단계); 상기 제1,2용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계(S9단계); 상기 제1,2용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 상기 용액이 팽창하도록 하는 단계(S10단계); 상기 제1,2용기를 상온에서 결합하되, 그 사이에 절연체를 삽입하는 단계(S11단계)를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)의 제조방법이 제공된다.
이에 상기 S10단계에서 상기 용액이 팽창되어 연결장치를 통하여 용액이 흘러나오도록 하여, 상기 용액의 색깔이 진한 남색이 되도록 상기 S8단계부터 반복하는 단계가 더 포함되어 구비될 수 있다.
그리고 상기 금속의 금속이온과 용매의 리간드는 화학식 1에 의한 가역적 다단계 상전이(Reversible Multi-step phase-transitions) 특성을 가지도록 구비될 수 있다.
(화학식 1)
[M(R)_n]^+a+ ae^-

[M(R)_n-a] + aR -Q_n(J) (in L)
(M:금속이온, R:리간드, n=1,2,…,6, a=1,2,…,6, 그리고 Q_n(J):n번째 상전이 단계의 잠열량, L : Liquid)
또한 상기 금속의 금속이온과 용매의 리간드의 결합되는 비율은 몰비로 1:0.1 내지 1:6으로 구비될 수도 있을 것이다.
이에 더하여 상기 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 되고, 상기 용매는 암모니아가 포함되어 구비될 수 있을 것이다.

삭제

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하는 상전이조성물, 상전이조성물의 제조방법 및 상전이조성물을 이용한 모듈의 제조방법에 의할 때, 열로 손실되는 에너지를 전기에너지화하여 고효율적인 전기에너지를 생산할 수 있으며, 더 나아가 컴퓨터와 같은 전자기기장치에서 발생되는 열을 효과적으로 방출해낼 수 있는 상전이조성물 및 이를 이용한 모듈을 제공할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 내용을 더욱 상세하게 설명한다.

여기서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하는데, 이는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 내용이 한정되거나 제한되게 해석되어서는 아니되며, 첨부된 도면은 이해의 편의를 위하여 과장될 수 있으므로 역시 이에 의하여 본 발명이 제한되어서는 아니된다.

본 발명에 따르는 상전이 조성물은 배위결합이 가능한 금속이온과 상기 금속이온의 금속을 용해할 수 있는 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 금속은 주기율표상 1족 (alkali)일 수 있고, 상기 용매는 상기 금속이온과 배위결합을 할 수 있는 리간드가 될 용매이다. 이러한 배위결합의 리간드의 용매는 구조적으로는 배위 결합의 형태를 가질 수 있으며 이러한 배위 결합이 용매의 리간드의 농도와 주변의 온도, 압력과 같은 환경에 따라 그 배위수가 변함으로써 다양한 상전이나 배위 결합 수가 변화하는 것이다.

또한, 상기 용매는 그 끓는점이 낮아서 용이하게 기화될 수 있어 가역적 다단계 상전이(Reversible Multi-step phase-transitions)특성을 가질 수 있는데, 이를 아래 <화학식 1>에 나타낸다.

<화학식 1>

[M(R)_n]^+a+ ae^-

[M(R)_n-a] + aR -Q_n(J) (in L)

(M:금속이온, R:리간드(용매), n=1,2,…,6, a=1,2,…,5, 그리고 Q_n(J):n번째 상전이 단계의 잠열량, L : Liquid)

상기 가역적 다단계 상전이 특성은 도 3을 통하여 설명할 수 있다. 도 3은 본 발명에 따르는 상전이조성물에 대한 상전이 그래프이다.

도 3을 참조하면, y축은 온도(K)를 나타내며, x축은 농도를 나타내는데 여기서 MPM은 금속이온의 몰퍼센트(Mole Percent of Metal)의 약자임을 알 수 있다. 상기 금속이온이 암모니아를 포함한 아민류에 용해된 후 반응에 의해 생성된 금속이온과 리간드의 화합물의 경우에 나타나는 그래프이다.

여기서, 농도가 14.3 근처인 경우가 [M(R)₆]에 해당하며, 농도가 20, 33 및 100인 경우가 각각 [M(R)₄],[M(R)₂],[M]에 해당함을 알 수 있다.

상기 용매(R)의 농도가 짙은 경우에, 예를 들어 MPM이 20 이상인 경우에 낮은 온도 예컨대, -35℃에서는 [M(R)₆]가 주로 존재하지만, 온도가 올라갈수록 배위결합수가 감소하여 상기 금속이온의 산화상태가 변화하게 되며, 이러한 산화상태 변화에 영향을 주는 요인은 주로 상기 금속이온과 용매간 농도, 온도, 내부 압력과 같은 환경조건이 될 수 있으며, 이러한 환경조건에 따라 일정한 배위수를 갖는 안정한 결합 상(Phase)이 존재함을 알 수 있다.

여기서, 다수의 배위결합된 상태인 [M(R) ₆ ]에 대하여 더욱 상세하게 설명하면, 온도가 상승함에 따라 배위결합이 끊어지고 기화되는 리간드(R)(용매)들의 양이 증가하여 분압이 증가하는 특성을 도 4 및 5를 통하여 볼 수 있다.

도 4는 본 발명에 따르는 상전이조성물의 금속이온의 금속종류별 증기압을 나타낸 그래프이다. 이 그래프를 통하여 보면 금속의 종류에 따라 결합된 다단계 상전이 금속이온-리간드 화합물이 온도에 따라 리간드의 기화로 인해 용기 내부의 압력이 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉 그래프에서 낮은 온도에서의 금속들은 [M(NH3) ₆ ] 상태를 유지하는 경우로 주변의 결합에 참여하여 리간드 이외에, 결합에 참여하지 않아 잔류된 용매가 기화하여 압력이 증가하는 것을 측정(도 4의 왼쪽 편 영하 20도 이하의 저온 영역에서의 그래프 곡선들)한 것이며, 또한 상온 근처에서의 금속이온의 경우(도 4의 오른쪽 상온 부근의 그래프 곡선들)에는 잔류 용매가 없는 금속이온-리간드 화합물에서 리간드 기체가 떨어져 나오면서 증가되는 내부 압력을 측정한 것이다.
도 5는 본 발명에 따르는 상전이조성물의 리튬과 암모니아의 몰비에 따라 측정된 증기압을 나타낸 그래프이다. 이 그래프에서 보면, 암모니아의 끓는점과 어는점 사이의 온도(-33.5℃ ~ -77.7℃)에서 1 : 6 정도까지는 금속이온-리간드 결합에 의한 압력의 증가가 직선적으로 나타나지만, 1 : 6 이상의 비율영역, 즉 잔여 암모니아가 더 있는 영역에서는 잔여 암모니아의 특성에 따라 온도별 압력이 구별되나 개별적으로 각각 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다.

상술한 바와 같이, 리튬과 암모니아로 되는 다수의 배위결합된 상태인 [M(NH3) ₆ ]에 대한 전위변화는 아래 <표 2>에 나타낸다.

변화식	전압(V)	엔탈피(Enthalpy)
[Li((NH₃)₆)]⁺² + 2e^- [Li((NH₃)₄)]+ 2NH₃(g) (in L)	2.34	-50kcal(at -33℃)
[Na((NH₃)₆)]⁺² + 2e^- [Na((NH₃)₄)] + 2NH₃(g) (in L)	1.89	-39kcal(at -33℃)
[K((NH₃)₆)]⁺² + 2e^- [K((NH₃)₄)] + 2NH₃(g) (in L)	2.04	-40kcal(at -33℃)
[Rb((NH₃)₆)]⁺² + 2e^- [Rb((NH₃)₄)] + 2NH₃(g) (in L)	2.06	-40kcal(at -33℃)
[Cs((NH₃)₆)]⁺²+ 2e^- [Cs((NH₃)₄)] + 2NH₃(g) (in L)	2.08	-40kcal(at -33℃)

(L : Liquid)
상기 <표 2>에서 볼 수 있는 바와는 달리, 물질의 특성상 상온 근처(20℃) 이상에서 안정한 결합을 이루는 경우는 배위수가 4 ~ 5 정도인 경우이고, 이 상태에서도 전위 변화가 수반된다.

삭제

한편, 상기 상전이조성물의 금속이온과 리간드의 결합비율은 몰비로 1:0.1 내지 1:6일 수 있는데, 만일 상기 비율이 1:0.1 미만이면 1000℃ 정도에서나 가능할 정도로 상기 금속이온이 들뜬상태로 존재하여 매우 불안정할 수 있으며, 반대로 1:6을 초과하면 용매가 반응에 참여하지 않고 액체 혹은 기체 상태로 존재하기 때문에 전극 생성에 장애가 될 수 있으며, 온도가 올라갈 경우에는 결합이 끊어진 리간드 기체에 의해 고압이 형성되어 안정한 시스템의 운용을 저해할 수 있다.

여기서, 이와 같은 본 발명에 따른 상전이조성물에 결합되는 상기 금속이온의 금속으로는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있음을 예로 하여 보였으며, 기타 상전이 특성을 나타내는 다른 금속들도 금속이온상태에서 결합되어 본 발명의 사상이 적용될 수도 있음은 당연한 것이다.

마찬가지로, 본 발명에 따른 상전이조성물에 결합되는 상기 리간드의 용매로는 암모니아가 포함되어 이루어질 수 있음을 보였으며, 기타 상전이 특성을 나타내는 다른 용매들도 리간드로 되어 적용되어 이용될 수도 있을 것이다.

한편, 본 발명에 따르는 상전이조성물의 제조방법은 금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소를 제거하는 단계(S1단계)와, 상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 용기에 주입하고 상기 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 연결장치를 체결하는 단계(S2단계)와, 상기 연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계(S3단계)와, 상기 용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계(S4단계)와, 상기 용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 잔여 용매의 기화로 인해 제조된 상전이조성물만 남기면서 상기 용액이 팽창하는 단계(S5단계)를 포함한다.

먼저 S1단계를 보면, 상기 금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소와 같은 이물질을 제거하는 단계인데, 핵산과 같은 물질을 이용하여 상기 금속을 활성화(activation)시킬 수도 있다.

여기서 상기 진공상태는 10^-5 내지 10^-7Torr가 바람직한데, 만일 10^-5Torr 미만이면, 불순물이 잔존하여 변화효율이 감소될 수 있으며, 반대로 10^-7Torr를 초과하면 과도한 에너지의 사용으로 제조비용이 증가할 수 있다.

상기 용매는 화학식 1에 의한 가역적 다단계 상전이(Reversible Multi-step phase-transitions) 특성을 가질 수 있는데, 이는 앞서 설명한 (화학식 1)과 동일 또는 유사하여 여기서 설명을 생략한다. 이는 이후에 기술될 내용에 대하여도 동일하게 적용한다.

삭제

다음으로 S2단계를 보면, 상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 용기에 주입하고 상기 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 연결장치를 체결하는 단계인데, 상기 금속을 분말이나 박편으로 하여 반응면적을 증가시키고, 상기 체결장치는 파이프 형태의 T자 형상으로 세개 면의 연결부위가 구비되어 있어, 1면은 상기 용기에 연결되고 2면은 용매공급원에 연결되며 3면은 진공펌프에 연결될 수 있다.

또한, 상기 용기는 일면을 제외한 모든 면이 폐쇄되어 있는데, 예를 들면 실린더 형상으로 구비될 수 있다.

다음으로 S3단계를 보면, 상기 연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계이다.

여기서, 상기 유지온도를 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하는데, 만일 각 유기용매의 끓는점 이상으로 유지하면 금속을 용해하기 어려운 문제가 생길 수 있고, 반대로 어는점 이하가 되면 용매가 얼게 되어 시료의 합성이 이루어 지지 않는 문제가 생길 수 있다.

또한, 상기 일정시간은 20 분 내지 2시간일 수 있는데, 만일 20분 미만이면 용매와 금속간의 충분한 용해반응이 이루어지지 않아서 불균일한 시료가 만들어질 수 있으며, 반대로 2시간을 초과하면 본 단계의 공정시간이 길어져 전체적인 제조비용이 증가할 수 있다.

다음으로, S4단계를 보면, 상기 용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계인데, 이때 온도는 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이 정도로 유지되는 상태이다. 이 상태에서 금속과 용매와의 반응이 일어나 금속이온과 리간드화 된 용매에 의해 상전이조성물이 생성되며, 균일한 혼합이 일어나는 경우 상전이 조성물과 반응에 참여하지 않은 잔여 용매가 혼합되어 있는 상태가 된다.

다음으로, S5단계를 보면, 상기 용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 상기 용액이 팽창하며 상기 연결장치를 통하여 흘러나오는 단계인데, 금속이온과 리간드화 된 용매에 의해 생성된 상전이조성물과 잔여 용매가 혼합되어 있는 상태의 용액이 주변의 온도가 상승함에 따라 부피가 증가하여 상기 연결장치를 통하여 외부로 흘러나오게 된다.

여기서, 외부로 흘러나온 용액을 육안으로 확인하면 그 색이 투명하거나 무색인 경우와 진한 남색인 경우가 있는데, 진한 남색이 [M(R)₆]²⁺의 전형적인 색이므로 투명하거나 무색인 경우에는 금속이 용매에 균일하게 용해되지 않은 상태이므로, 상술한 S3단계부터 반복하는 단계를 수행하여 상기 용액의 색이 진한 남색이 되도록 한다.

또한 이러한 단계에서 -10℃ 내지 10℃ 상태(주입된 용매의 끓는점 이상으로 올려 잔여 용매가 기체상태로 되도록 하기 위함)로 되어 보관하는 이유는, 앞서 설명된 바와 같이 전단계(S04)에서 제조된 용액이 다단계 상전이조성물과 함께, 결합에 참여되지 않은 잔여 용매 등이 혼합된 상태로 되어 있는 것이며, 따라서 결합된 상전이조성물을 제외한 과량의 용매를 제거하기 위하여 용매의 끓는점 이상의 온도(-10℃ 내지 10℃ 정도)로 유지시킴으로써 과량의 용매가 기화되도록 하여 제거하기 위함이다. 이러한 결합에 참여하지 않은 용매의 기화로 인하여 전체 부피의 팽창을 하며, 이러한 부피의 팽창으로 인하여 제조된 용액의 일부가 외부로 일정량 유출될 수도 있을 것이다. 그리고 외부로 일부 흘러나온 용액의 색을 통하여 상전이조성물의 결합비율 상태가 어느 정도인지 여부를 판별할 수 있는 것으로, 이러한 용액의 색을 통하여 제조된 상전이조성물의 완성 정도를 알 수 있는 것이며, 이 상태에 따라 앞서 설명된 전위차의 특성을 갖는 상전이 조성물이 제조되는 것이다.
그리고 이러한 전위차의 특성을 가지는 상전이조성물은 절연상태에서 밀봉한 후 양단에 도체로 이루어진 전극으로 회로를 구성하면 열전시스템으로 응용할 수 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

아울러, 이러한 상태에서 화학적 구조는 [M(R)₆]⁺²(s)과 [M(R)₅]⁺¹(s), [M(R)₄](s) 등이 일정한 비율로 함께 공존하며, 이 비율은 밀봉작업을 수행하는 당시의 주변 온도에 따라 아래 <표 3>에서 볼 수 있는 바와 같이, 평균 값인 n을 갖을 수 있다.

The variation of 'n' for the compound [M(R) _n ] as a function of Temperature.
종류	온도(℃)	n
Calcium	- 63.8	5.67
	- 45.3	5.79
	- 33	5.900
	0	5.869
	+ 20	5.825
Strontium	- 63.8	4.87
	- 45.3	4.92
	- 60	6.38
	- 23	6.15
	0	6.01
Barium	- 63.8	7.49
	- 45.3	7.55
	- 50	6.97
	- 23	6.30
	0	6.10

즉, 이에 다양한 금속이온-리간드 사이의 결합비율을 갖기 때문에 다른 전위차를 가지는 상태가 공존하여 열역학적으로 평형상태를 유지함을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 따르는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)의 제조방법은 금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소를 제거하는 단계(S6단계)와, 상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 제1용기와 제2용기에 각각 주입하고 각각의 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 제1연결장치 및 제2연결장치를 각각 체결하는 단계(S7단계)와, 상기 제1,2연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 제1,2연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계(S8단계)와, 상기 제1,2용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계(S9단계)와, 상기 제1,2용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 잔여 용매의 기화로 인해 제조된 상전이조성물만 남기면서 상기 용액이 팽창하여 흘러나오는 단계(S10단계)와, 상기 제1,2용기를 상온에서 결합하되, 그 사이에 절연체를 삽입하는 단계(S11단계)를 포함할 수 있다.

먼저, S6단계는 앞서 상술한 S1단계의 내용과 동일하게 실시할 수 있는 것이어서 여기서 설명을 생략한다.

다음으로 S7단계를 보면, 상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 제1용기와 제2용기에 각각 주입하고 각각의 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 제1연결장치 및 제2연결장치를 각각 체결하는 단계인데, 용기 및 연결장치를 각각 2개 사용하고 있고 있는 점을 제외하고는 상술한 S2단계와 유사하여 상세한 설명을 생략하기로 한다.

다음으로 S8단계를 보면, 상기 제1,2연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 제1,2연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계인데 역시 상술한 S3단계와 유사하여 그 설명을 생략한다.

다음으로 S9단계를 보면, 상기 제1,2용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계인데 상술한 S4단계와 유사하여 그 설명을 생략한다.

다음으로 S10단계를 보면, 상기 제1,2용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 잔여 용매의 기화로 인해 제조된 상전이조성물만 남기면서 상기 용액이 팽창하여 흘러나오게 되는 단계인데 상술한 S5단계와 유사하여 그 설명을 생략한다.

다음으로 S11단계를 보면, 상기 제1,2용기를 상온에서 결합하되, 그 사이에 절연체를 삽입하는 단계인데, 여기서 절연체는 퀄츠(quartz)를 사용할 수 있다.

또한, 상기 S10단계에는 상기 용액의 색깔이 진한 남색이 되도록 상기 S8단계부터 반복하는 단계가 더 포함될 수 있다.

여기서 상기 금속이온의 금속을 리튬으로 하여 제조하는 경우에 특성을 아래 <표 4>에 나타낸다.

Heats of reactions [Li((NH₃)₅)]⁺¹ [Li((NH₃)₆)]⁺²+ e^- (in L)
C (moles liter^-1)	H (Kcal mole^-1)	C	H
+ 5°		- 15°
0.679	- 0.19
0.407	- 0.17	0.385	+ 0.92
0.290	- 0.13	0.214	+ 1.00
0.179	- 0.07	0.139	+ 1.10
0.114	+ 0.12	0.0638	+ 1.40
0.0646	+ 0.38	0.0360	+ 1.74
0.0342	+ 0.73	0.0293	+ 1.84
0.0194	+ 1.07	0.0179	+ 2.22
0.0150	+ 1.23	0.0149	+ 2.32
0.0148	+ 1.23	0.0090	+ 2.75
0.0133	+ 1.22
0.0058	+ 1.58

( L : Liquid)
위 <표 4>에서 볼 수 있듯이, 온도와 금속이온의 농도(C, Concentration)에 따라 반응 엔탈피(H, enthalpy)가 흡열 반응 혹은 발열 반응의 특성을 나타내며, 상온 근처일수록 이러한 특성은 더욱 선명하게 나타나는 것을 알 수 있다. 여기서 금속이온의 농도는 상전이조성물 1리터(liter) 당 금속이온의 몰수로, 0.5인 경우가 Li(NH₃), 0.2인 경우가 Li(NH₃)₄, 0.143 정도가 Li(NH₃)₆ 이다.

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즉, 상기 금속이온의 농도가 높을수록 흡열 반응의 특성을 나타내며, 묽은 농도의 영역의 경우는 발열 반응의 특성을 나타내므로 온도차에 의한 전위차가 생성되는 반응이 진행 될수록, 외부의 열 에너지를 흡수하면서 반응이 진행될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 이러한 특성에 의해 온도가 높은 열원 부위는 금속이온 주변의 리간드가 떨어져 나가 금속의 농도가 높아지는 것이므로 흡열 반응의 특성이 나타나면서 전위 차가 생성되는 순반응 방향으로 진행이 계속되며, 상기 열원부위의 반대부분은 끝단에서 기화된 R(g)에 의해 분압이 증가하게 되고 결국, 르샤틀리에 원리에 의해 역방향으로의 반응이 진행되어 금속이온의 농도가 낮아지는 형태로 진행되어 반대의 전위차를 얻어내며, 발열 반응을 일으키게 되어 열원에서 발생되는 열을 방출시키게 된다.

즉, 일차적으로는 온도차가 발생되면 높은 온도 부분에서 전압을 발생하면서 용매(R)가 기화되며 주변의 열을 흡수하고, 그에 따라 분압이 증가하여 반대방향에서는 역방향으로 결합반응이 일어나게 되면서 주변 열을 방출하고 반대전압이 생성하게 된다. 이는 도 6과 도7을 통하여 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따르는 상전이조성물이 상온에서 온도차가 10℃인 경우 생성되는 전압을 시간대별로 측정한 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따르는 상전이조성물에서 상온에서 온도차를 없애는 경우 소멸되는 전압을 시간대별로 측정한 그래프이다.

도 6 및 7을 참조하면, 상온에서의 온도차이에 의하여 급격한 전압의 상승을 나타내며 비례관계를 보이다가 일정한 전압으로 수렴되고 있으며, 반대로 상온에서의 온도차이를 없애는 경우에는 열적평형상태에 도달하기전까지 일정한 기울기의 하강그래프를 형성하고 이후 0(zero)에 가까운 일정한 전압으로 수렴함을 알 수 있다.

도 1은 열전달물질의 특성인 피겨메리트의 개발과정을 나타내는 그래프이다.

도 2는 n형-p형 접합반도체를 이용한 열전시스템을 개략적으로 나타낸 그림이다.

도 3은 본 발명에 따르는 상전이조성물에 대한 상전이조성물의 상평형 다이어그램의 그래프이다. MPM은 mole percent of metal의 약자로 20의 경우 금속이온-리간드의 비율이 1:4이고 14.3 정도가 1:6인 경우에 해당된다.

도 4는 본 발명에 따르는 상전이조성물의 금속별 증기압을 나타낸 그래프이다.
이 그래프를 통하여 주입한 금속의 종류에 따라 합성된 다단계 상전이 금속이온-리간드 화합물이 온도에 따라 리간드의 기화로 인해 용기 내의 내부 압력이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 낮은 온도(-20℃ 이하)에서의 금속들은 [M(R)₆] 상태를 유지하는 경우로 금속과 결합에 참여하지 않은 잔류 용매에 의한 기압변화를 측정한 것이며, 상온 근처에서의 금속이온의 경우(특히 Li, Ca)는 잔류 용매가 없는 금속이온-리간드 화합물에서 리간드 기체가 떨여져 나오면서 내부 압력을 측정한 것이다.

도 5는 본 발명에 따르는 상전이조성물의 리튬과 암모니아의 용액에 대한 증기압을 나타낸 그래프이다. 본 그래프를 통하여 본 발명의 물질 제조단계 중 제4단계, 제9단계의 상태에 대한 것으로, 주입된 리튬금속 대비 암모니아의 비율이 제조단계 중, 제4단계, 제9단계의 조건인 암모니아의 끓는점과 어는점 사이의 온도(-33.5℃ ~ -77.7℃ 사이)에서 1 : 6 정도까지는 금속이온-리간드 결합에 의해 압력의 증가가 직선적으로 나타나지만(도 5 그래프의 왼쪽 부분의 곡선들), 잔여 암모니아가 더 있는 영역에서는 잔여 암모니아의 특성에 따라 개별 온도별 각각에 대해서 압력이 거의 일정(도 5 그래프의 오른쪽 부분의 곡선들)하게 유지되는 것을 볼 수 있다.

도 6은 본 발명에 따르는 상전이조성물이 상온에서 모듈의 양쪽 끝단의 온도차가 10℃인 경우 생성되는 전압을 시간대별로 측정한 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따르는 상전이조성물에서 상온에서 모듈의 양쪽 끝단의 온도차를 없애는 경우 소멸되는 전압을 시간대별로 측정한 그래프이다.

Claims

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금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소를 제거하는 단계(S1단계);

상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 용기에 주입하고 상기 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 연결장치를 체결하는 단계(S2단계);

상기 연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계(S3단계);

상기 용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계(S4단계);

상기 용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 상기 용액이 팽창하도록 하는 단계(S5단계);를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이조성물의 제조방법.
제 7 항에 있어서,

상기 S5단계에서 상기 용액이 팽창되어 연결장치를 통하여 용액이 흘러나오도록 하여, 상기 용액의 색깔이 진한 남색이 되도록 상기 S3단계부터 반복하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 상전이조성물의 제조방법.
제 7 항에 있어서,

상기 금속의 금속이온과 리간드는 화학식 1에 의한 가역적 다단계 상전이(Reversible Multi-step phase-transitions) 특성을 가지도록 구비되고,

상기 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 되고,

상기 리간드의 용매는 암모니아가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 하는 상전이조성물의 제조방법.

(화학식 1)

[M(R)_n]^+a+ ae^-
[M(R)_n-a] + aR -Q_n(J) (in L)

(M:금속이온, R:리간드, n=1,2,…,6, a=1,2,…,6, 그리고 Q_n(J):n번째 상전이 단계의 잠열량, L : Liquid)
제 9항에 있어서,

상기 금속이온과 리간드의 결합 비율은 몰비로 1:0.1 내지 1:6인 것을 특징으로 하는 상전이조성물의 제조방법.
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금속을 진공상태에 두어 공기중 수분과 산소를 제거하는 단계(S6단계);

상기 금속을 분말이나 박편으로 준비하여 비활성기체분위기에서 일면이 개봉된 제1용기와 제2용기에 각각 주입하고 각각의 일면에 용매를 주입할 수 있고 진공상태를 만들 수 있는 제1연결장치 및 제2연결장치를 각각 체결하는 단계(S7단계);

상기 제1,2연결장치를 통하여 진공상태를 일정시간 유지한 후에 주변온도를 상기 용매의 끓는점과 어는점 사이로 유지하여 온도평형상태를 유도하고 상기 제1,2연결장치를 통하여 상기 용매를 주입하는 단계(S8단계);

상기 제1,2용기 내의 금속과 용매를 균일하게 혼합하여 용액을 제조하는 단계(S9단계);

상기 제1,2용기를 -10 내지 10℃에서 보관하여 상기 용액이 팽창하도록 하는 단계(S10단계);

상기 제1,2용기를 상온에서 결합하되, 그 사이에 절연체를 삽입하는 단계(S11단계);를 포함하는 것을 특징으로 하는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)의 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 S10단계에서 상기 용액이 팽창되어 연결장치를 통하여 용액이 흘러나오도록 하여, 상기 용액의 색깔이 진한 남색이 되도록 상기 S8단계부터 반복하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)의 제조방법.
제 14 항에 있어서,

상기 금속의 금속이온과 용매의 리간드는 화학식 1에 의한 가역적 다단계 상전이(Reversible Multi-step phase-transitions) 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)의 제조방법.

(화학식 1)

[M(R)_n]^+a+ ae^-
[M(R)_n-a] + aR -Q_n(J) (in L)

(M:금속이온, R:리간드, n=1,2,…,6, a=1,2,…,6, 그리고 Q_n(J):n번째 상전이 단계의 잠열량, L : Liquid)
제 16 항에 있어서,

상기 금속의 금속이온과 용매의 리간드의 결합되는 비율은 몰비로 1:0.1 내지 1:6인 것을 특징으로 하는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)의 제조방법.
제 14항에 있어서,

상기 금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 되고,

상기 용매는 암모니아가 포함되어 구비되는 것을 특징으로 하는 상전이조성물을 이용한 모듈(module)의 제조방법.
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