이우영 교수 연구팀, 열전 에너지 변환 성능효율 향상 기술 개발

나노 열전 분야의 새로운 패러다임 제시

이우영 교수(신소재공학과) 연구팀이 반금속-반도체 전이 현상을 통한 전자 에너지 밴드구조 제어 기술을 활용하여 2차원 전이금속 칼코겐 화합물의 두께제어 기반의 열전 에너지 변환 성능 향상 기술을 구현했다. 문홍재 박사과정 학생과 김정민 연구교수가 1저자 및 공동 교신저자로서 연구를 수행했다.

열전 변환 현상이란 온도구배가 기전력을 발생시키거나, 전위차가 온도차로 변환되는 에너지 변환 현상으로서, 열전소자는 환경 친화성, 정밀 온도 제어, 동시 발열 냉각 가능, 고 신뢰성, 저소음, 저진동, 소형화 및 집적 가능성 등 응용범위가 넓은 장점을 가져 차세대 에너지 변환 기술로 각광받고 있다.

최근 열전성능지수를 결정하는 인자들의 독립적 조절을 통한 효율 향상을 위해 저차원 나노 소재들에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그중 2차원 나노 소재의 연구는 주로 반도체성 전이금속 칼코겐 화합물의 두께 감소에 따른 밴드갭 제어가 주를 이뤘으나, 밴드갭이 존재하는 반도체 소재 특성으로 성능 향상이 미비했으며 특히 제백계수의 향상을 구현하기 어려웠다.

본 연구팀은 열전 성능 향상을 위해 반금속성 전이금속 칼코겐 화합물을 기반으로 두께 감소에 의한 반금속-반도체 전이(semimetal to semiconductor transition) 현상을 구현하여 밴드갭을 형성시키고 게이트 전계효과를 이용한 페르미에너지 제어를 통하여 높은 제백계수를 가지는 자연계에 존재하지 않는 새로운 반도체성 전이금속 칼코겐 화합물 나노시트를 개발했다.

두께 제어를 통한 반금속-반도체 전이현상 구현 및 열전 제백 계수 증대

이러한 반금속-반도체 전이 현상에 의해 얻어진 반도체성 나노시트들은 외부 전계에 의해 전기적 수송특성의 변화를 쉽게 제어 가능하며, 밴드 오버랩을 감소시켜 전자와 정공의 상쇄 효과를 억제해 열전 성능을 증대시킬 수 있는 장점을 지니고 있고 이를 바탕으로 제백 계수를 벌크 소재 대비 50배 이상 향상시킬 수 있었다.

이 발견으로 인해 열전 물질로 사용되지 않았던 다양한 반금속 전이금속 칼로겐 화합물들의 두께 조절 밴드 엔지니어링을 기반으로 한 새로운 물리적 현상 관측 및 나노 열전 소자 응용에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 이루어졌으며, 저명한 국제학술지인 에이씨에스 나노 (ACS Nano)에 2019년 10월 15일 온라인 게재됐다. (논문명 : Strong Thermopower Enhancement and Tunable Power Factor via Semimetal to Semiconductor Transition in a Transition-Metal Dichalcogenide)