최근 중국과학원 합비(Hefei city)물질과학연구원 고체물리연구소 Xiao-ying Qin 연구팀은 열전기 재료(thermoelectric materials) 연구에서 긍정적인 성과를 얻었다. 관련 성과는 J.Mater.Chemisty A(2015, 3, 11768)와 J.Mater.Chemisty C(2015, 3, 7045-7052)에 발표되었다.

열전기 재료는 운동하는 부품이 없이 열에너지와 전기에너지를 직접 전환할 수 있고 또한 어떠한 유독기체나 온실기체를 배출하지 않는다. 이 재료는 폐열로 발전하거나 고체상태 냉각에도 사용된다. 하지만 현재 열전기 재료의 전환효율[무차원(dimensionless) 성능지수(figure of merit) ZT로 확인]이 비교적 낮아(≤1) 대규모적인 상업적인 응용을 실현하기 어렵다. 따라서 재료의 ZT값을 향상시키는 것은 현재 열전기 재료 영역의 연구 초점이자 중점이다.

β-Zn4Sb3는 잠재력이 있는 친환경적인 고성능 열전기 재료이다. 유도전자 상태밀도(density of states, DOS)를 통한 공진왜곡(resonance distortion)은 열전기 재료의 열전력(thermoelectric power) S를 향상시키고 열전기 성능지수 ZT를 향상시키는 일종의 효과적인 방법이다. Xiao-ying Qin 연구팀과 협력자들은 최근 실험연구에서 희토류 원소 Gd 첨가는 β-Zn4Sb3 페르미 에너지(Fermi energy) 부근에서 DOS 공진왜곡을 일으키고 이는 DOS 유효질량(effective mass)의 대폭 증가를 나타낸다는 것을 설명하였다.

저온 비열의 측정은 DOS 공진왜곡의 발생을 실증하였는데, 제1원리 계산을 통해 β-Zn4Sb3 원자가전자대(valence band maximum) 부근에 나타난 상태밀도 포먼트(formant)는 주요하게 Gd 원자 d 궤도전자의 공헌에 의해 발생했다는 것이 심층적으로 밝혀졌다. 이러한 상태밀도 공진왜곡은 β-(Zn1-xGdx)4Sb3(x=0.002, 0.003) 열전력을 ~40μV/K 증가시키는 동시에 Gd 첨가로 인해 x=0.002 샘플의 열전도율이 약 15% 감소되어 최종적으로 β-(Zn1-xGdx)4Sb3(x=0.002) 샘플의 ZT값이 655K에서 1.2에 이르러 첨가하지 않은 샘플(ZT=0.75)에 비해 60% 향상되었다. 이러한 연구결과는 Gd 첨가가 DOS 공진왜곡을 일으킬 뿐만 아니라 β-Zn4Sb3 열전기 성능을 효과적으로 향상시키는 방법이라는 것을 설명한다. 이 연구사업은 최근에 J.Mater.Chemisty A(2015,3,11768)에 발표되었다.

이외에 BiSbTe는 현재까지 가장 우수한 실온에 가까운 열전기 재료이고 또한 유일한 상업화된 실온냉각 열전기 재료이다. 하지만 상온 100~200도에서의 열전기 성능을 향상시켜서 저수준 폐열 발전에 사용하는 것은 도전적이며 경제이익을 얻는 과제이다. Xiao-ying Qin 연구팀과 협력자들은 최근 연구에서 BiSbTe 기질에서 1vol.% Cu3SbSe4 나노과립을 복합시켜 나노 복합재료를 형성하였다고 설명하였다. 약 50% 결정격자 열전도율이 낮아지는 것 외에 헤테로 접합계면 포텐셜(heterojunction interface potential)의 난반사가 에너지 여과효과를 일으켜 열전력 효율을 높이고 고온구역 전이율 감소를 완화시켜 476K일 때, 역률(power factor)이 37mWcm-1 K-2이외, 이 재료는 300K에서 500K까지 넓은 온도범위에서 높은 ZT값(300K에서 ZT=1.0이고 500K에서 ZT=1.5)을 나타냈고 이 재료가 저수준 폐열 회수 응용에서 매력적인 응용전망을 가지고 있다. 이 연구사업은 최근에 J.Mater.Chemisty C(2015,3,7045-7052)에 발표되었다.

 

[KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-07-13]