KAIST, 원자 수준 고효율 열전 소자 원천 기술 개발

폐열 발전, 나노 수준 열전 발전기 등 원천 기술 기대

원자 수준에서 열전 현상을 활용해 높은 효율의 에너지 소자를 만들 길이 열렸다. 

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 양희준·김용현 교수 연구팀이 성균관대 IBS 나노구조물리연구단(CINAP) 이영희 교수 연구팀과 공동으로 고효율 에너지 생산이 가능한 전하밀도파 기반 미시적 열전 현상을 최초로 규명했다고 1일 밝혔다. 

전하밀도파란 물질 내 전자들이 만드는 밀도 파동을 말하며, 트랜지스터 등 전자의 움직임을 양자역학적으로 제어하는 기술에 쓰인다. 소리가 공기의 밀도 파동인 것과 비슷하다.

열전 현상은 온도의 차이로 인해 전기가 흐르게 되는 현상을 말한다. 냉장고 같은 냉각기, 뜨거운 엔진을 식히며 전력을 생각하는 폐열 발전기 등에 응용된다. 

주사탐침 열전현미경의 개념도와 열전이미지 예. 주사탐침 열전현미경은 도체의 팁, 전압계, 온도를 변화시킬 수 있는 샘플홀더로 구성되어 있음. (자료=KAIST)

이번에 연구팀은 원자 크기 수준에서 미시적 열전 현상을 규명하고, 원자 수준에서 고효율 에너지 소자를 설계할 수 있는 원천 기술을 확보했다.

그간 고체 원자 격자와 전자 사이에 강한 상호작용이 있는 강상관계 물질은 열전 소자의 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대돼 왔다. 하지만 소자 단위가 아닌 미시적 이해에는 한계가 있었다.  

연구팀은 층상 구조를 이루는 원자 격자가 이황탄탈럼(1T-TaS2) 층상 구조에서 주변 전자들과 상호작용을 통해 전하밀도파를 형성할 때 미시 수준에서 높은 열전 효율이 가능함을 실증했다. 

측정된 전하밀도파 기반 열전 전압 이미지, 시뮬레이션으로 구해진 열전 계수 (온도 차이와 그에 따른 발생 전압의 비율. 제벡 상수라고도 함) 이미지. (자료=KAIST)

또 연구팀은 주사탐침 열전현미경 영상 분석을 통해 미시적인 열전달 경로를 실공간에서 확인하고, 표면 아래 열물성을 측정할 수 있는 마이크로 소나 기술도 확보했다.

전하밀도파 소재는 나노 수준의 열전 발전기, 냉각소자, 센서 개발 분야에 원천 기술을 제공할 것으로 기대된다. 또 원자력·화력 발전소의 폐열을 이용한 고효율 에너지 생산도 가능하리란 전망이다. 기존의 통계적 온도 및 열 개념을 뛰어넘어 미시적인 열전달 현상에 기반한 전기 생산이라는 새로운 연구 분야를 열 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 기초과학연구원, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자 지원사업 및 미래기술연구실 사업으로 수행됐으며, 지난달 4일 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다.