초미세 두께 소재의 열전에너지 변환 효율 측정 기술 개발

[산업일보]
국내 연구진이 ‘100나노미터 두께 이하의 금속 및 반도체 등 나노소재의 열전에너지 변환효율을 측정할 수 있는 기술’을 개발했다.

한국표준과학연구원(KRISS) 송재용 박사의 이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노 · 소재기술 개발 사업으로 수행됐고, 그 결과는 나노기술 전문 학술지인 나노스케일 5월호에 게재됐다.

열에너지와 전기에너지가 상호 변환될 수 있는 열전 현상은 태양열, 지열, 인체열 뿐만 아니라 자동체폐열, 공업폐열을 이용한 발전기, 무진동/무소음 냉장고 등을 구현할 수 있는 매력적인 청정에너지원이다. 1970년대까지 활발히 진행됐지만 상용화에 미치지 못하는 에너지 변환효율로 연구계와 산업계 관심 밖으로 밀려났었다.

하지만 나노기술의 발전과 함께 2000년대부터 다시 주목 받고 있다. 열전소재가 나노미터 스케일에서 제벡계수가 증가하고 열전도도가 매우 낮아진다는 연구 결과가 보고된 후, 많은 과학자들은 기존의 열전에너지 변환효율을 극복하고 상용화를 이룰 수 있는 열전 나노소재를 개발하기 위해 노력하고 있다.

이러한 고효율 나노소재를 개발하기 위해서는 열전에너지 변환효율을 나노미터 크기에서 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 개발해야 한다. 미국과 유럽에서는 나노스케일 열전에너지 변환효율 측정기술을 보유하고 있었지만 국내에는 아직 보급되지 않았다.

열전에너지 변환효율은 소재의 고온부에서 저온부사이에서 열에너지가 어느 정도의 전기에너지로 변환되는가를 측정하는 것으로 제벡계수, 전기전도도, 열전도도를 정밀하게 측정해야 한다. 제벡계수와 전기전도도는 전기적 특성을 측정하는 것으로 비교적 정확한 측정이 가능하지만, 열전도는 방사적으로 일어나는 현상으로 열 흐름 제어가 매우 어렵다. 따라서 열전에너지 변환효율 측정에서 정확한 열전도도 측정이 중요하다. 특히, 크기가 매우 작은 나노소재의 열전도도 측정은 벌크 소재보다 더 어려운 기술이다.

이번 연구에서는 나노종합기술원이 보유한 반도체 공정기술을 이용해 마이크로 디바이스를 설계 제작하고, 마이크로 디바이스위에 놓인 나노소재의 온도(0.1℃ 측정정밀도)와 전기적 특성(100 나노볼트 (nV), 10 나노암페어(nA) 측정정밀도)을 모니터할 수 있는 측정 장비를 자체 제작했다. 약 40 𝞵m x 40 𝞵m 크기의 마이크로 디바이스 위에 발열체, 온도계, 전극을 형성한 후, 진공 속에서 온도변화(20 ~ 300 켈빈(K))에 따라 제벡계수, 전기전도도, 열전도도를 함께 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 측정 가능한 나노선 또는 나노판의 크기는 100 나노미터 두께 이하의 금속 또는 반도체로 0.5 W/m·K의 작은 열전도도까지 측정가능하다. 이는 선진국인 미국과 유럽의 수준 (0.3~0.5 W/m·K)과 대등한 측정 능력이다.

또한 다양한 나노소재에 적용 가능하도록 수백 나노미터 두께의 나노소재를 마이크로 디바이스에 옮기는 기술도 함께 구현해 실리콘 나노선, 백금 나노선, 비스무스 텔루라이드 나노선의 열전에너지 변환효율을 측정하는데 성공했다. 특히, 상온에서 고효율 열전재료로 상용화된 비스무스 텔루라이드 나노선의 캐리어 농도를 조절해 제벡계수를 증가시키고, 쌍정결함을 나노선 내부에 삽입, 열전도도를 낮추어 열전에너지 변환효율을 향상시킬 수 있음을 증명했다.

송재용 박사팀은 나노종합기술원의 나노미터급 반도체 공정기술을 활용해 나노선, 나노판 등 100 나노미터이하 두께 소재에 열전에너지 변환효율을 측정할 수 있는 자체 마이크로 디바이스를 제작, 나노소재의 열전에너지 변환효율을 측정하는데 성공했다. 열전에너지 변환효율을 구하기 위해서는 소재의 제벡계수, 전기전도도, 열전도도를 모두 측정해야 하는데 지금까지 나노소재의 경우, 작은 크기로 인해 국내 기술로는 위 세 가지 물성을 동시에 측정할 수 없었다. 순수 국내 기술로 개발한 이번 측정 기술은 나노미터 두께의 모든 나노소재의 열전에너지 변환효율 측정에 범용적으로 적용될 수 있게 개발된 기술이다.

KRISS 송재용 박사는 “나노미터 두께 소재의 열전에너지 변환효율 측정기술은 선진국에서는 이미 개발했지만 국내에는 보급되지 못한 실정”이라며 “이번에 개발된 기술이 향후 국내 연구진에 보급될 경우, 인체 열에너지를 이용한 웨어러블 디바이스, 모바일 디바이스의 보조 에너지원 등에 쓰이는 열전 발전기 개발에 필수적인 변환효율 측정 기반 기술로서 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.