나노열전재료는 초격자(superlattice)나 양자점(Quantum dot), 나노선(Nanowire)등의 구조로 일반적인 벌크 상태의 물질보다 훨씬 높은 효율을 갖게 되어 최근 가장 각광받는 연구 분야 중 하나이다. 자연히 이러한 나노 열전재료의 열전 계수를 정확히 알기 위한 연구도 매우 활발히 이루어지고 있다. 그림 1은 나노 열전재료의 한 예인 실리콘 나노선의 전자현미경 사진이다.

이러한 중요성에도 불구하고 기존에 나노스케일에서 열전 계수를 정량적으로 측정하는 방법이 없어 나노스케일에서의 열전 계수는 이론적으로 예측하는 수준에 머물러 있었다.
본 실험실에서는 나노스케일에서 정량적으로 열전계수를 측정할 수 있는 방법을 개발하였으며 이를 SSM(Scanning Seebeck Microscopy)라 이름 붙였다.

그림 1. 실리콘나노선(Nature, Hochbaum 등.)               그림 2. SPM의 원리(www.barrett-group.mcgill.ca)

나노스케일 측정을 위한 가장 현실적인 방법 중 하나는 SPM(Scanning probe microscopy)이다. SPM은 끝이 매우 뾰족한 탐침을 이용하여 측정하는 모든 방법을 통칭하며 이렇게 뾰족한 탐침을 측정하고자 하는 대상에 접촉시켜 스캔함으로써 나노미터수준의 공간 해상도를 얻을 수 있다. 이러한 SPM 기반의 접촉식 측정 방법은 전자현미경에 비해서도 높은 공간해상도를 가지며 특수한 탐침과 측정 원리를 이용하여 형상 이외에도 온도, 전위, 힘 등의 다양한 성질을 측정할 수 있다. 그림 2는 이러한 SPM방법의 원리를 나타낸다.

우리는 SPM 방식에 기초해 특수한 탐침을 직접 제작하여 물질의 열전 계수를 나노미터 스케일에서 측정하며 이를 SSM(Scanning Seebeck Microscopy)라 이름 붙였다. 이 원리를 그림3에 나타내었다. 열전 계수 (Seebeck Coefficient)는 물질내부의 온도 구배에 따라 발생하는 열전 전압을 측정하면 구할 수 있다. 이러한 점에 착안하여 나노 탐침의 끝을 가열하고 이를 측정하고자 하는 대상에 접촉하여 탐침 주변에 발생하는 온도 구배와 동시에 그에 따른 열전 전압을 측정한다. 이러한 방법으로 나노스케일에서 물질의 열전 전압을 매우 높은 해상도로 계측할 수 있다. 오른쪽 그림은 이러한 SSM 방법을 이용하여 실리콘 p-n 접합에서의 열전계수 변화를 측정한 결과이다. 현재 이 방법의 공간 해상도는 10nm 정도 수준으로 예상하고 있다.

                          그림 3. SSM의 원리                                                              그림 4. 실리콘 p-n 접합에 대한 SSM 측정결과