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고효율 에너지 생산 가능한 전하밀도파 기반 미시적 열전 현상 최초 규명 2022-09-01
권혁재 기자 hjk@mtnews.net


▲ KAIST 물리학과 양희준 교수(좌), 김용현 교수(우)



[기계신문] 고체 원자 격자와 전자 사이에 강한 상호작용이 존재하는 강상관계 물질은 다양한 에너지 소자 기술에 활용될 수 있고, 특히 열전 소자의 효율의 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나 거시적 소자 스케일의 많은 연구가 되어왔지만, 그에 대한 미시적인 이해에는 한계가 있었다.


최근 KAIST 물리학과 양희준·김용현 교수 연구팀이 성균관대 IBS 나노구조물리연구단(CINAP) 이영희 교수팀과 공동으로 고효율 에너지 생산이 가능한 전하밀도파 기반 미시적 열전 현상을 최초로 규명했다.


전하밀도파란 소리가 공기의 밀도 파동인 것처럼 물질 내에 있는 전자들이 만드는 밀도 파동을 말하며, 흔히 전자의 움직임을 양자역학적으로 제어하는 기술(트랜지스터 등)에 쓰인다.


열전 현상은 온도의 차이로 인해 전기가 흐르게 되는 현상을 말하며, 주로 냉장고를 비롯한 냉각기, 뜨거운 엔진을 식히며 전력을 생각하는 폐열 발전기 등에서 이를 응용한 기술을 볼 수 있다.



▲ 측정된 전하밀도파 기반 열전 전압 이미지와 시뮬레이션으로 구해진 열전 계수(온도 차이와 그에 따른 발생 전압의 비율. 전문 용어로 제벡 상수) 이미지



이번에 연구팀은 원자 크기 수준에서 미시적인 열전 현상을 규명했으며, 원자 스케일에서 고효율 에너지 소자를 설계할 수 있는 원천기술을 확보했다.


KAIST-성균관대 공동연구팀은 층상 구조를 이루는 원자 격자가 주변 전자들과 상호작용을 통해 전하밀도파를 형성할 때 높은 열전 효율이 가능함을 실증했다.


원자 스케일 열전 현상을 활용하면 기존의 통계적인 온도, 열 개념을 뛰어넘어 미시적인 열전달 현상 기반 전기 생산 기술이라는 새로운 연구 분야를 열 수 있을 것으로 기대된다.


연구팀은 원자 격자와 전자가 1T-TaS(이황화탄탈럼) 층상 구조에서 층간 상호작용을 통해 전하밀도파를 생성하고 매우 효율적인 미시적 열전 성능을 구현할 수 있다는 것을 주사탐침 열전 현미경 측정 및 제1 원리 전자구조 계산(원자와 전자가 특정 구조로 배열되었을 때 양자역학적으로 어떤 물성을 보일지 설명하는 계산 방법)을 통해 밝혔다.



▲ 주사탐침 열전현미경의 개념도와 열전이미지 예. 주사탐침 열전현미경은 도체의 팁, 전압계, 온도를 변화시킬 수 있는 샘플홀더로 구성되어 있다.



또한 연구팀은 주사탐침 열전현미경 영상 분석을 통해 미시적인 열전달 경로를 실공간에서 확인할 수 있는 포논 퍼들(phonon puddle) 현상을 규명, 표면 아래 열물성을 측정할 수 있는 마이크로 소나 기술을 최초로 확보했다.


연구팀 측은 “이번 연구는 2차원 층상구조물질의 열전현상을 원자 스케일에서의 이해를 가능하게 하며 국소적인 온도 측정의 가능성을 보여준다”면서 “또한 강상관계 물질이 열전소자에서의 폐열발전기와 냉각소자에서 고효율의 응용가능성을 제시하고 있다”고 설명했다.



▲ 넓은 범위의 주사탐침 열전현미경 이미지



이로써 전하밀도파 소재는 나노미터 스케일 열전 발전기, 냉각소자, 센서 개발 분야에 원천기술을 제공할 것으로 기대된다. 또한 산업적으로 중요한 원자력·화력 발전소의 폐열을 이용한 고효율 에너지 생산도 가능할 것으로 기대된다.


성균관대 에너지과학과 김도현 박사과정과 KAIST 물리학과 신의철 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 기초과학연구원, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자 지원사업 및 미래기술연구실 사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 8월 4일자 게재됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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