장벽 에너지에 의한 에너지 필터링 효과 모식도(a)와 열처리 시간에 따른 장벽에너지 및 제백계수(b), 전기전도도(c)와 파워펙터(d). (GIST 제공) 2019.11.14 /뉴스1 © News1

광주과학기술원(GIST)은 조지영 신소재공학부 교수연구팀이 기존보다 간단하게 '열전 유·무기 나노복합체의 장벽에너지'를 조절해 열을 전기로 바꾸는 '열전 효율'을 극대화했다고 14일 밝혔다.

열전 재료는 범세계적 화석연료 부족과 기후 변화 문제의 대안인 환경 친화성 신재생 에너지 시스템으로 주목받고 있다.

하지만 열전 재료는 효율성이 매우 떨어진다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 두 가지 이상의 물질로 이뤄진 복합체를 만드는 것이 열전 재료 분야의 대표적인 성능 향상 방법 중 하나다.

열전 성능을 결정하는 중요 인자는 에너지 필터링 효과(Energy filtering effect)다.

두 개의 서로 다른 재료에 의해 만들어진 복합체는 서로 다른 밴드 구조의 접합으로 에너지 장벽이 생긴다. 이 장벽 에너지보다 높은 에너지를 가지는 캐리어는 통과시키고 낮은 에너지를 가지는 캐리어는 막는 걸 에너지 필터링 효과라고 한다.

에너지 필터링 효과는 장벽 에너지 크기에 영향을 받기 때문에 간단하고 자유롭게 장벽 에너지의 크기를 바꿀 수 있다면 열전 효율을 더욱 높게 만들 수 있게 된다.

연구팀은 극성 용매 기상 열처리법 (Polar Solvent Vapor annealing, PSVA)을 열전 유·무기 복합체 재료에 응용해 장벽 에너지 조절과 에너지 필터링 효과를 극대화했다.

조지영 GIST 교수.2019.11.14/뉴스1 © News1

조지영 교수는 "이번 연구를 통해 더욱 손쉽게 열-전기 변환 효율을 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 찾았다"며 "우리 몸의 열 혹은 가정이나 산업현장의 폐열을 에너지로 이용하는 시스템 전력 효율의 큰 증가와 향후 웨어러블 및 유연한 열전 재료와 소자 발전에도 큰 기여를 할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한국연구재단과 GIST가 지원한 이번 연구는 조 교수가 주도하고 김완식 박사과정 학생(제1저자)이 참여했했다. 지난 10월28일 에너지 재료분야 저명 학술지인 Nano Energy(나노 에너지, IF=15.548)에 게재됐다.