GIST(총장 김기선)는 조지영 신소재공학부 교수 연구팀이 열전 유·무기 나노 복합체의 장벽 에너지를 조절하고, 이를 최적화해 재료의 열전 효율을 극대화했다고 14일 밝혔다.

열전 재료는 화석연료 부족과 기후 변화 문제 대안인 환경 친화성 신재생 에너지 시스템으로 주목받고 있다. 

기존 재료는 효율성이 떨어져 두 가지 이상의 물질로 이뤄진 복합체를 만드는 것이 열전 재료 분야의 대표적인 성능 향상 방법으로 주목 받았다.  

열전 성능을 결정하는 중요 인자인 제백 계수 상승에 영향을 주는 에너지 필터링 효과는 두 가지 이상의 다른 재료의 전자 밴드 구조가 접합했을 때 생기는 복합체 내 장벽 에너지 도입으로 형성 된다. 

이 효과는 장벽 에너지 크기에 영향을 받는데 복합체의 장벽 에너지 크기를 바꾸기 위해서는 재료를 바꾸거나 도핑 등의 방법을 활용해야 한다. 따라서 정해진 복합체 재료에서 제백 계수를 향상시키기 어려웠다. 만약 간단하고 자유롭게 장벽 에너지의 크기를 바꿀 수 있다면 열전 효율을 크게 만들 수 있게 된다. 

극성 용매 기상 열처리법 (Polar Solvent Vapor annealing, PSVA)은 본래 태양전지 분야에서 유기물 전극의 일함수 조절에 사용한다. 연구진은 이 현상을 열전 유·무기 복합체 재료에 응용해  장벽 에너지 조절, 에너지 필터링 효과를 극대화했다. 

이에 하나의 재료에서 여러 장벽 에너지 크기에 따라 열전 특성이 달라지는 것을 확인했다. 실생활에 응용 가능한 재료 개발시 가장 성능이 높은 상태의 재료로 출시하는 것도 가능하다.

연구에서는 전도성 고분자로 여러 분야에서 활용되는 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly sulfonate)과 대표적인 열전 재료인 Bi2Te3 나노와이어를 이용해 유·무기 복합체 박막을 제작했다. 

전기전도도는 원래 제백 계수가 커지면 떨어지는 반비례적 관계를 갖는 인자이다. 이번 연구에서 이용한 극성 용매 기상 열처리법을 통해 PEDOT:PSS 구조를 개선해 큰 전기전도도를 갖게 됐다. 

조지영 교수는 "이번 연구로 더 쉽게 열·전기 변환 효율을 증가시킬 방법을 찾았다"며 "우리 몸의 열이나 가정, 산업 현장의 폐열을 에너지로 이용하는 시스템 전력 효율 증가와 웨어러블, 유연 열전 재료, 소자 발전에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다. 

연구는 조지영 교수가 주도하고, 김완식 박사과정 학생이 참여했다. 연구는 한국연구재단과 GIST의 지원을 받았다. 연구 결과는 지난 달 28일 에너지·재료 분야 국제 학술지 나노에너지(Nano Energy)에 게재 됐다.