[논문 리뷰] Materials, physics, and systems for multicaloric cooling

Huilong Hou, Suxin Qian외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 23.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 281인용 수 10

한 줄 요약

이 관점 논문은 여러 외부 필드에 의해 유도되는 상전이를 보이는 다중칼로닉 냉각 재료 및 시스템을 검토하며, 페로이크 순서를 활용하여 다양한 자극(예: 자석, 전기, 응력 필드)의 결합을 통해 향상된 칼로닉 효과를 실현한다. 이는 고효율, 저온실가스배출량을 갖춘 냉각 기술을 위한 비전도를 제시하며, 첨단 재료, 다중칼로닉 효과의 물리학, 시스템 수준의 설계 원칙을 통합한다.

ABSTRACT

The calls to minimize greenhouse gas emissions and the demands for higher energy efficiency continue to drive the research worldwide in alternative cooling and refrigeration technologies. The field of caloric cooling has undergone a series of transformations in the past several decades bolstered by the advent of new materials and devices, and these developments have helped fuel the advent of multicalorics in the past decade. Multicaloric materials systems inherently display one or more types of ferroic orders that can give rise to multiple field-induced phase transitions responsible for the caloric effects. Just as multiferroic materials possessing co-existing order parameters have unveiled a plethora of physical phenomena and applications over the years, multicaloric cooling materials have the potential to open up entirely new avenues for extracting heat and spearhead hitherto unknown technological applications. In this Perspective, we survey the emerging field of multicaloric cooling and explore the state-of-the-art caloric materials systems responsive to multiple fields. We present our visions of future applications of multicaloric and caloric cooling in general including key factors governing the overall system efficiency of the cooling devices.

연구 동기 및 목표

• 에너지 효율적이고 환경에 친화적인 냉각 기술에 대한 증가하는 세계적 수요를 충족시키며 온실가스 배출를 최소화한다.
• 자석, 전기, 기계적 외부 필드에 반응하는 다중칼로닉 재료를 식별하고 분석하여 향상된 칼로닉 효과를 가능하게 한다.
• 냉각 성능 향상을 위해 다수의 조정 가능한 상전이를 유도하는 다중 페로이크 순서가 공존하는 물질의 물리학을 탐구한다.
• 실제 응용에 적합한 실현 가능성과 확장성을 극대화하는 다중칼로닉 시스템의 설계 원칙을 수립한다.
• 기존 증기압축 냉각 방식의 대안으로서 다중칼로닉 냉각 기술의 향후 연구 방향과 기술적 길을 제시한다.

제안 방법

• 자석, 전기, 탄성, 다중칼로닉 효과를 포함한 다수 자극에 반응하는 칼로닉 재료 분야의 최근 진전을 체계적이고 종합적으로 검토한다.
• 페로전기, 페로자성, 페로탄성 등 페로이크 순서가 공존하는 재료 분석을 통해 여러 필드에 의해 유도되는 상전이의 결합을 가능하게 한다.
• 칼로닉 반응를 지배하는 열역학적 및 운동학적 요인 평가, 즉 전이 엔트로피 변화, 필드 반응, 히스테리시스 등.
• 재료 물리학과 시스템 수준의 공 ingeneering을 통합하여 냉각 성능을 모델링하고 최적화하며, 도수 및 에너지 효율성에 중점을 둔다.
• 다양한 자극을 동시에 또는 순차적으로 사용하는 다중칼로닉 사이클의 실현 가능성을 입증하기 위해 개념적 장치 아키텍처를 활용한다.
• 다중칼로닉 시스템을 기존 및 단일필드 칼로닉 시스템과 비교하여 냉각 용량과 효율성에서의 우월성을 부각시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중칼로닉 재료에서 여러 외부 필드에 의해 유도되는 상전이를 어떻게 설계하여 엔트로피 변화와 냉각 효율을 극대화할 수 있는가?
• RQ2 다양한 페로이크 순서(예: 페로전기 및 페로자성) 간의 결합을 가능하게 하는 핵심 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 다중칼로닉 냉각 장치의 효율을 제한하는 주요 시스템 수준의 요인은 무엇이며, 이를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 냉각 출력, 온도 범위, 에너지 효율성 측면에서 다중칼로닉 재료는 단일필드 칼로닉 재료보다 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ5 실용적인 다중칼로닉 냉각 기술 구현을 위해 극복해야 할 핵심 재료 및 시스템 설계 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 공존하는 페로이크 순서를 갖는 다중칼로닉 재료는 다양한 외부 필드에서 다수의 조절 가능한 상전이를 나타내며, 향상된 다중자극 반응성 칼로닉 효과를 유도할 수 있다.
• 단일 재료 시스템 내에서 자석, 전기, 기계적 필드 반응의 결합은 단일필드 칼로닉 재료보다 더 큰 총 엔트로피 변화를 초래할 수 있다.
• 다중 순서 매개변수와 강한 필드 유도 상전이를 가능하게 하는 다중페로이크 산화물 및 특정 래어어스 기반 화합물은 잠재력이 높은 것으로 나타났다.
• 시스템 수준의 모델링 결과, 다중칼로닉 사이클은 기존 또는 단일필드 칼로닉 시스템 대비 더 높은 도수 및 향상된 에너지 효율성을 달성할 수 있다.
• 다중칼로닉 장치의 효율성은 재료의 히스테리시스, 열 및 전기 전도도, 계면 공학에 매우 민감하며, 이를 최소화해야 한다.
• 논문은 실용적인 다중칼로닉 냉각 시스템으로 향하는 명확한 연구 및 개발 길을 제시하며, 재료 설계, 장치 통합, 시스템 최적화를 강조한다.