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중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 연구팀은 공동연구를 통해 Ag2S 플렉시블 반도체에 기반을 둔 신형 고성능 무기 플렉시블 열전 재료와 디바이스를 개발하는데 성공함.

플렉시블 열전 에너지 전환기술은 환경에서 수시로 존재하는 온도 차이를 전기 에너지로 전환하여 출력할 수 있으며 플렉시블 전자 등 분야에서 폭 넓은 응용 전망을 보유하나, 현재의 고성능 무기 열전 재료는 전부 취성재료로서 큰 폭의 굽힘이나 큰 변형이 있을 경우 쉽게 단열이 발생할 수 있음. 유기 전열 재료는 비록 양호한 유연성과 굽힘 성능을 보유하고 있지만 캐리어의 이동도가 무기재료 보다 많이 낮아 효율적인 에너지 전환과 전기 에너지 출력을 실현하기 어려웠음. 연구팀이 기존에 개발했던 무기 열전재료인 Ag2S은 플렉서블 특성을 가지고 있었으나, 에너지 밴드 갭은 약 1.0 eV이고 실온에서의 전기 전도율과 열전 성능이 매우 낮으며 고유 결함(예를 들면 갭 Ag 원자 등)의 개선 효과도 매우 약했어 상용화에 도달하기 어려웠음. 그러나 이번 연구를 통해 일련의 Se 혹은 Te 고용체(solid solution, 固溶體) Ag2S 재료를 합성하였는데 Se와 Te 고용체는 Ag 갭 이온의 결함 형성 에너지를 뚜렷하게 감소시켜 Ag 간격 이온 농도를 증가시키며 이로 인하여 전기 수송 성능을 뚜렷하게 개선시키고 역률(power factor)을 최대 약 5 μW·cm-1·K-2 수준에 도달시킬 수 있는 것으로 나타났음. 해당 고용체 Se/Te는 재료의 에너지 갭을 대폭 감소시킬 수 있기 때문에 열전 성능 지수의 최고 수치가 저온 방향으로 이동하게끔 할 수 있으며 실온에서 열전 성능 지수를 최고 0.44 수준에 이르게 하였음. 특히, 압축 실험, 3점 휨 시험(three point bending test) 등 역학 테스트를 실행한 결과에 따르면, Se의 함유량이 60%보다 적거나 Te의 함유량이 70%보다 적을 때 재료의 가소성과 유연성은 모두 유지될 수 있기 때문에 Se 혹은 Te의 성분이 20%-60%일 경우 재료는 양호한 가소성과 열전 성능을 동시에 보유할 수 있는 것으로 나타났음. 연구팀이 휘는 반경 3mm를 선택하여 테스트를 실행한 결과, Ag2S0.5Se0.5 박편(薄片)을 반복적으로 1,000회 굽힌 후 전기 전도율과 제벡 계수(seebeck coefficient)가 거의 변화가 없었으며, 이는 재료의 성능이 응력의 영향을 비교적 적게 받고 플렉시블 및 웨어러블 전기 공급의 수요를 충족시킬 수 있다고 여겨짐. 연구팀은 고성능 무기 플렉시블 열전 재료를 취득한 후 동 재료를 기반으로 여섯 개 쌍의 n타입 Ag2S0.5Se0.5 열전 레그(thermoelectric leg)와 p타입 Pt-Rh라인으로 구성된 평면 내 타입의 열전 발전 디바이스를 개발하였는데 20K 온도 차이에서 최대 표준화 파워 밀도를 0.08W·m-2 수준에 도달시켰으며 기존의 제일 우수한 순수 유기 열전 디바이스보다 1-2자릿수 높은 것으로 나타났음.

이번 연구는 무기 플렉시블 열전 재료 연구의 새로운 방향을 개척하였고 고성능 무기 재료에 기반을 둔 플렉시블 열전 전환 신기술 개발을 위하여 제일 원초적이고 핵심적인 난제를 해결했다고 평가됨.

본 연구 성과는 ‘Energy & Environmental Science’ 지에 게재됨