나노기술 및 정책 정보

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● 일본 오사카부립대학교, 긴키대학 공업고등전문학교 공동 연구진이 텔루르화게르마늄의 전자 구조 구조를 정밀하게 제어함으로써, 실온 부근의 열전 변환 출력 인자를 기존 재료의 최대 2배로 증가시키는 데 성공 

● 해당 열전 성능 향상에는 기존에 알려져 있는 원자가 전자 밴드에 더해 새로운 가전자 밴드가 기여하고 있음을 규명

● 연구진은 기존 250~600℃에서 고성능을 나타내는 열전 재료로 알려진 GeTe(텔루르화게르마늄)의 열전 변환 출력 인자를 실온~150℃, 즉 실온 부근에서 증대

● GeTe을 Sb2Te3(텔루르화안티몬)과 고용체(solid solution)화시킴으로써, 열전 성능에 기여하는 것으로 알려져 있었던 원자가 전자 밴드에 더하여 새로운 원자가 전자 밴드의 밴드 단(端) 축증(縮重)으로 인해 성능이 향상됨을 규명

● 연구진은 제작된 시료의 정밀 분말 회절 데이터를 대형 방사광 시설 SPring-8의 분말 결정 구조 해석 빔 라인 ‘BL02B2’를 통해 획득했으며, 입력 데이터로 시료의 전자 구조를 계산

● 고용체화 시료는 계산에 방대한 비용이 든다고 알려져있지만, 재료계에 효율적이고 정밀하게 계산할 수 있도록 계산 코드를 개량하여 전자 구조를 정밀 제어할 수 있도록 개발 

● 해당 연구로 개발된 GeTe 고용체화 시료는 본 연구와 마찬가지로 간단한 시료 제작 과정으로 제작된 실온 기존 재료 Bi2Te3(텔루르화비스무트)보다 실온~150℃의 온도 범위에서 최대 2배 큰 열전 변환 출력 인자를 나타냈으며, Bi2Te3처럼 나노 입자를 이용한 미세 조직의 최적화 등을 통해 열전 성능을 향상

● 본 연구 성과는 세상에 존재하는 폐열 중에서도 총량이 많은 실온 폐열을 전기로 재활용하는 폐열 이용 기술의 요소 기술에 관한 것으로, 향후 환경 발전 기술로 응용되는 한편 에너지 절약 사회 실현에 공헌할 것으로 기대 

※ Materials Today Physics 게재(2021.08.12.), “Superior room-temperature power factor in GeTe systems via multiple valence band convergence to a narrow energy range”