나노기술 및 정책 정보

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● 일본 도쿄공업대학교 과학기술창성연구원 프론티어 재료연구소의 연구팀이 전기가 잘 통하는 LaNiO3를 전기가 잘 통하지 않는 LaAlO3 사이에 끼워 넣어 열을 전기로 바꾸는 열전 변환의 기전력을 10배로 증대시키는 데 성공

● 열전 변환 재료는 온도 차를 주면 발전하고, 반대로 전기를 통하게 하면 온도 차를 발생시키는 성질을 가지기 때문에 전자 기기의 발전 소자 및 소형 냉장고 등의 냉각 기기로의 이용이 기대

● 하지만, 열전 변환 재료의 실용화를 위해서는 작은 온도차로부터 큰 전압을 발생시키는 성질을 갖는 열전 변환 재료가 필요한데, 지금까지 고온에서 높은 성능을 내는 열전 변환 재료는 많이 개발되어 왔지만, 실온에 가까운 저온에서 높은 성능을 나타내는 열전 변환 재료는 보고된 바 없었음.

● 연구팀은 전기가 통하지 않는 절연체인 LaAlO3 사이에 1nm(나노미터) 정도의 LaNiO3 초박막을 끼워 넣은 인공 구조를 제작

● 위아래로 접촉하고 있는 LaAlO3의 포논이 LaNiO3의 전자를 당기는 ‘포논 드래그(phonon-drag) 효과’에 의해 1℃의 온도 차로 얻어지는 열기전력이 10배로 증가하는 것을 확인

● 나아가 ‘포논 드래그 효과’는 지금까지 –240℃ 등 극저온에서만 발현되었다고 여겨졌지만, -53℃라는 비교적 실온에 가까운 온도에서도 작용하여 실온에 가까운 저온에서 높은 변환 성능을 나타내는 재료를 제작하는 데 기여할 것으로 전망

● 본 연구를 통해 다른 물질을 겹친 구조를 설계함으로써 열전 변환 재료의 성능을 크게 향상시켰으며, 향후 열전 변환 기술의 보급을 위한 재료 개발의 새로운 지침이 될 것으로 기대

※ 용어설명

- 포논(phonon): 물체의 결정 격자에서 진동을 양자화한 최소의 준입자로 정의

※ Nano Letters 게재(2021.10.28.), “Large phonon drag thermopower boosted by massive electrons and phonon leaking in LaAlO3 /LaNiO3 /LaAlO3 heterostructure”