아주대 임준원 교수, 열E⇄전기E 변환 열전소자의 효율 향상 메커니즘 규명 … 친환경·고효율 '에너지 하베스팅' 활용 기대

아주대학교는 임준원 물리학과 교수팀이 열전소자(열에너지와 전기에너지의 변환을 매개하는 반도체 소자)의 효율을 나타내는 성능지표인 파워 팩터가 고체 블로흐파(고체 내 전자의 양자역학적 파동함수)의 양자 기하학적 특성에 의해 조절됨을 최초로 규명했다고 4일 밝혔다.

친환경·고효율의 에너지 하베스팅 핵심 기술로 활용될 수 있을 전망이다.

이번 연구는 중앙대 물리학과 김건우 교수, 일본 도쿄대 오창근 박사과정생이 함께 참여했다.

열전소자는 에너지 절감이 필요한 여러 산업 분야에서 주목한다. 연료를 사용하지 않는 친환경 에너지 기술인 '에너지 하베스팅'의 핵심 기술 중 하나도 열전소자다. 에너지 하베스팅은 태양광, 열, 진동, 바람 등 자연적 에너지원으로부터 에너지를 모아 전기에너지로 바꿔 사용하는 기술이다. 공장·발전소, 자동차의 버려지는 폐열을 활용하거나 전원을 연결하기 어려운 웨어러블(착용) 기기나 사물인터넷(IoT) 분야의 에너지원으로 사용할 수 있다.

현재 차량과 냉장고·정수기 등 소형 가전에 일부 활용되는 열전소자를 실생활에서 더 폭넓게 응용하려면 경제성뿐 아니라 소자에 쓰이는 소재의 에너지 전환 효율을 높이는 게 중요하다.

열전소재는 열전 효율은 전기전도도가 높고 열전도도는 좋지 못한 물질이 이상적이다. 1950년대 이후로는 크기가 큰 벌크 소재 중심으로 이런 조건을 충족하는 소재를 찾아왔다. 2000년대 이후엔 나노·박막 기술을 활용해 인위적으로 합성된 물질에서 벌크 소재를 뛰어넘는 고효율 열전소재를 개발하기도 했다. 지금까지 개발된 열전 효율 향상 방법론들은 궁극적으로 고체의 전자나 포논(고체 격자의 진동을 양자화했을 때 이를 나타내는 준입자) 띠 구조(전자의 에너지와 운동량 관계)를 엔지니어링하는 일로 귀결된다.

하지만 최근 이런 띠 구조 뒤에 숨어 있는 고체 내 전자 파동함수의 기하학적 구조가 물성에 큰 영향을 끼친다는 사실이 밝혀졌다. 지금까지 파동함수의 기하학적 특성과 열전 효율 사이의 관계에 대한 연구는 수행된 적 없다.

아주대 공동 연구팀은 열전 효율을 결정하는 파워 팩터에 주목했다. 파워 팩터가 고체 블로흐파의 양자 기하학적 특성인 양자 거리에 크게 의존함을 규명했다. 특히 고체의 띠 구조가 페르미 준위 근방에서 교차점을 형성할 경우 교차점 근방의 양자 거리 최댓값이 파워 팩터를 결정하며, 이 최대 양자 거리의 값을 증가시키면 파워 팩터가 최대 2배 향상할 수 있음을 보였다.

공동 연구팀은 이번 연구를 통해 볼츠만 수송 이론을 양자 기하학적으로 재해석해 고체 내 전자의 산란율을 양자 거리를 이용해 표현할 수 있음을 보였다. 또 산란율 공식을 기반으로 전기, 열전도도와 열전 파워 팩터 등이 블로흐파의 양자 거리로부터 도출될 수 있다는 것을 이론적으로 규명했다. 이를 통해 공동 연구팀은 띠 구조가 같은 물질이라도 양자 거리 특성이 다르면 열전 효율도 크게 변할 수 있다고 설명했다.

임 교수는 "이번 연구를 통해 열전 효율 향상 방법론을 제시한 셈"이라며 "양자 거리 조절에 기반을 둔 신개념의 열전 신소재 개발에 적용할 수 있을 것"이라고 했다.

김 교수는 "학계에서 친숙하게 접해온 수송현상 속에서 양자물질의 기하학적 정보가 존재함을 발견했다"며 "앞으로 웨어러블 기기의 냉각·발전 소자와 같이 실생활에 도움 되는 응집물리 이론 연구와 실험 연구의 협업을 기대한다"고 덧붙였다.

이번 연구 논문 '힐버트-슈미트 거리에 의해 구동되는 열전 수송(Thermoelectric transport driven by the Hilbert-Schmidt distance)'은 재료과학 분야 SCI 저널 '어드밴스드 사이언스' 11월호에 실렸다.

이번 연구는 선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업과 대학기초연구소사업(G-램프) 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.