[사진. (왼쪽부터) 이규형 교수, 서울시립대학교 김현식 교수] 

신소재공학과 이규형 교수(제1저자)와 서울시립대학교 신소재공학과 김현식 교수(교신저자)가 노스웨스턴 대학교(Northwestern University)와의 국제 공동연구를 통해 차세대 열전 소재의 개발 속도를 획기적으로 앞당길 수 있는 범용 수식을 개발했다.

열전 소재는 열에너지를 전기에너지로 변환하거나 그 반대의 냉각을 가능하게 하는 고체 냉각 및 발전 소재로, 그 잠재력을 최대한 발휘하려면 페르미 준위를 조절하는 정밀한 도핑 작업이 필수적이다. 기존에는 최대 열전 성능 지수(zTmax)와 최적의 전하 농도를 예측하기 위해 유효질량(effective mass) 모델이 널리 사용되었으나, 복잡한 페르미 적분 수치해석과 까다로운 홀 효과(Hall effect) 측정이 반드시 필요하다는 한계가 있었다. 특히, 다결정 구조나 나노 구조 등 복잡한 열전 소재에서는 전자 이동도가 낮아 홀 효과 측정이 매우 어렵고 부정확해 새로운 소재의 물성 한계를 신속하게 스크리닝하고 최적화하는 데 큰 걸림돌이 되어 왔다.

이에 연구팀은 그간 필수적이었던 ‘홀 효과’ 측정 없이, 연구 현장에서 가장 기본적으로 측정하는 ‘제벡 계수(S)’ 데이터만으로 소재의 도핑 상태를 정밀하게 진단하는 새로운 분석 패러다임을 제시했다. 이를 범용 수식으로 체계화하여 소재 고유의 ‘열전 품질 인자(B-Factor)’를 손쉽게 도출하고, 복잡한 수치 해석 없이도 최고 효율을 내기 위한 최적의 도핑 농도를 즉각 예측할 수 있는 분석 플랫폼을 구축했다. 결과적으로 전하 농도 측정 없이도 소재의 이론적 zTmax와 이를 달성하기 위한 최적의 제벡 계수를 즉각적으로 예측할 수 있도록, zT 수식을 제벡 계수만의 함수로 완벽히 재구성하는 데 성공했다.

본 모델은 단순히 zTmax를 예측하는 것을 넘어, 소재 설계 전략의 효과를 분석하는 다목적 진단 도구(diagnostic tool)로서의 가치를 지닌다. 밴드 수렴(band convergence)과 같은 밴드 구조 향상 효과나 결정립계 산란(grain boundary scattering) 등 전하 산란 메커니즘의 변화를 직관적으로 분석하고 진단할 수 있다. 광범위한 실험 및 계산적 연구 전반에 걸쳐 보편적인 분석 플랫폼을 제공함으로써, 차세대 고효율 열전 소재의 발견과 상용화를 대폭 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

[그림] 통합 수식을 활용한 열전 소재의 최대 성능(zTmax) 예측 및 실험적 검증 결과

이번 연구는 한국연구재단의 원천기술개발사업 및 개인기초연구사업 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료공학 분야 전문학술지인 ‘Energy and Environmental Science (Impact Factor = 31.0, JCR 상위 0.4%)’에 3월 31일 자로 온라인 게재되었다.

논문정보
- 논문제목: Effective mass model for thermoelectrics
- 논문주소: https://doi.org/10.1039/d5ee06413a