상변화 물질(PCM)은 상변화 동안 많은 양의 에너지(즉, 상변화 엔탈피)를 흡수하거나 방출할 수 있는 물질 종류입니다. PCM은 에너지 저장을 위해 잠열을 활용하기 때문에 열 저장 밀도가 높고 열 저장 장치가 작으며 상 변화 과정에서 온도가 기본적으로 일정하게 유지되므로 관리가 쉽습니다. 에너지 절약에 대한 전 세계적 인식이 높아지면서 PCM의 이러한 특성은 연구자들의 주목을 끌었으며, 상변화 열에너지 저장 기술은 에너지 저장 분야에서 점점 빛을 발하고 있습니다.
I. 소재 기술 특성 소개
광범위하게 말하면, 열에너지 저장 기술에는 열에너지 저장 기술과 냉에너지 저장 기술이 모두 포함됩니다. 열에너지 저장 기술에는 현열에너지 저장과 상변화 열에너지 저장이 포함됩니다. 현열에너지 저장은 물질 자체의 비열용량을 활용하여 열에너지를 저장/방출하는 반면, 상변화열에너지 저장은 상변화물질(PCM)의 상변화 과정에서 열흡수/방출 에너지 전환 과정을 활용하여 열에너지를 저장/방출합니다. 상변화 열에너지 저장재료는 열 저장 밀도가 높고, 열 충전 및 방출 시 온도 변화가 작은 등의 장점을 갖고 있어 국내외 학자들의 폭넓은 관심을 받고 있다. 현재 상변화 에너지 저장재료로는 주로 유기, 용융염, 합금, 복합재 등이 있다. 상변화 형태는 주로 고체-고체, 고체-액체, 고체-기체, 액체-기체의 네 가지 유형입니다.
이상적인 고체-액체 상변화 물질은 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.
(1) 높은 융해잠열로 인해 상변화 동안 상당한 양의 열을 저장하거나 방출할 수 있습니다.
(2) 요구사항을 충족하는 적절한 상변화 온도;
(3) 고체-액상 변화의 우수한 가역성으로 과냉각 또는 과열을 최소화합니다.
(4) 고체상과 액체상 사이의 높은 열전도율;
(5) 고체-액상 변화 과정 중 팽창과 수축이 최소화됩니다.
(6) 고밀도 및 비열 용량;
(7) 비-독성 및 비부식성-;
(8) 가격이 저렴하고 제조가 용이하다.
고체-액체 상변화 물질과 비교하여 고체-고체 상변화 물질은 많은 장점을 가지고 있습니다. 고체-고체 상변화 물질(SCT)은 용기 없이 직접 가공 및 성형이 가능합니다. 열팽창 계수가 작아서 상전이 중 부피 변화가 최소화됩니다. 과냉각 또는 상분리를 나타내지 않으므로 항-과냉각제 및 항-상분리제가 필요하지 않습니다. 독성이 매우 낮고 부식성이 최소화됩니다. 누출이 없고-환경을 오염시키지 않습니다. 안정적인 구성, 우수한 상 변화 가역성 및 긴 사용 수명을 갖습니다. 그들의 장치는 간단하고 사용하기 쉽습니다. SCT의 주요 단점은 상변화 잠열이 낮고 가격이 높다는 점입니다. 액체-기체 및 고체-기체 상변화 물질은 상전이 중에 다량의 기체가 존재하기 때문에 상당한 부피 변화를 가져오므로 상변화열이 크지만 실제 응용에서는 거의 선택되지 않습니다.
II. 상변화물질의 응용분야
상변화 에너지 저장재료의 개발은 점차 실용화 단계에 접어들었고, 주로 반응 온도 제어, 태양 에너지 활용, 산업 반응에서 발생하는 폐열 저장 등에 사용됩니다. 저온-에너지 저장 장치는 주로 폐열 회수, 태양 에너지 저장, 냉난방 시스템에 사용됩니다. 고온-에너지 저장 장치는 열기관, 태양광 발전소, 자기유체역학 발전, 인공위성에 사용됩니다. 이러한 소재를 섬유에 주입하면 보온성이 뛰어나고 가벼운 의류를 만들 수 있습니다. 또한 일반 세라믹 컵보다 열을 더 오래 유지하는 절연 컵을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. 이 상변화 물질을 함유한 아스팔트 또는 시멘트 포장도로는 도로와 교량이 결빙되는 것을 방지할 수 있습니다. 따라서 엔지니어링 절연 재료, 의료 및 건강 관리 제품, 항공 우주 장비, 군사 정찰 및 생활 필수품 분야에 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다.
(I) 제약 산업에서 상 변화 물질의 적용 많은 의료 전자 치료 장치는 일정한 온도 작동을 요구하므로 온도를 조절하고 기기가 허용 한계 내에서 작동하도록 하기 위해 온도 제어 열 저장 물질을 사용해야 합니다. 일본 특허에서는 NaSO4·10H2O와 MgSO4·7H2O의 혼합물을 기기실의 온도 조절을 위한 상 변화 물질로 사용하여 실온을 약 25도 유지한다고 보고합니다. 작동 온도를 유지하기 위해 특수 장비를 상변화 물질로 만든 열 팩에 넣을 수도 있습니다. 최근 국내 시장에도 일종의 히트팩이 등장했다. 상변화 물질은 상변화 온도가 약 55도인 수화된 염입니다. 금속 시트는 핵 생성 시드 재료로 사용됩니다. 금속 시트를 압착하면 그 표면이 결정 성장 중심이 되어 발열 결정화가 발생합니다. 혈액 순환을 촉진하는 특정 전통 한약 봉지와 결합하여 치료 효과를 달성하고 류마티스 관절염과 같은 질병 치료에 어느 정도 효능을 나타냅니다.
(II) 데이터 저장에 있어서 상변화 물질의 적용
PCM은 칼코게나이드 유리 기반의 고성능 비휘발성 메모리입니다. 이 화합물은 중요한 특성을 가지고 있습니다. 즉, 한 단계에서 다른 단계로 이동할 때 저항이 변한다는 것입니다. 재료의 결정상은 낮은-저항상인 반면, 비정질상은 높은-저항상입니다. 위상 전이는 전류를 적용하거나 제거하여 달성됩니다. 기존 NAND-기반 비-휘발성 메모리와 달리 PCM 장치는 사실상 무제한 쓰기를 달성할 수 있습니다. 또한 PCM 장치는 짧은 액세스 응답 시간, 바이트 주소 지정 가능성, 임의 읽기/쓰기 기능과 같은 장점을 제공하므로 '미래{11}}변화하는' 기술로 평가받는 많은 스토리지 기술 중 하나입니다.
2017년에 상하이 마이크로시스템 및 정보 기술 연구소 소장인 Song Zhitang이 이끄는 연구팀은 새로운 상-변화 메모리(PCM) 소재 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 그들은 고속-PCM 재료에 대한 설계 개념, 즉 비정질 PCM 필름 내에서 핵 생성의 무작위성을 줄여 PCM 재료의 고속-결정화를 달성하는 혁신적인 개념을 제안했습니다. 0.13μm-CMOS 프로세스를 사용하는 Sc-Sb-Te- 기반 PCM 장치는 107주기보다 긴 주기 수명으로 700피코초의 고속-가역 쓰기-삭제 작업을 달성했습니다. 기존 Ge-}b-Te 장치에 비해 전력 소비가 90% 감소했으며 10년 동안 비슷한 데이터 보존을 유지했습니다. 2018년부터 메모리 칩 제조업체 SK하이닉스는 PCM{21}} 기반 3D 크로스포인트 메모리 생산을 시작했습니다. SK는 SCM에 사용되는 이 3D 크로스포인트 메모리 셀이 황화물- 기반 PCM 소재로 만들어진다고 설명했다. 최근 IBM 연구에 따르면 PCM 기반 아날로그 칩을 사용하면 기계 학습 기능을 수천 배 가속화할 수 있는 것으로 나타났습니다. IBM 블로그에서는 IBM이 차세대 AI 하드웨어를 개발하고 AI 분야에서 PCM 메모리의 응용 잠재력을 탐색하기 위해 연구 센터를 설립하고 있다고 밝혔습니다.
