열전물질을 이용한 냉각 및 발전 등의 에너지 전환은 구동부가 없고 작동유체등이 필요 없어 시스템이 간단해지고 환경 친화적이다. 다만 아직까지는 에너지 전환 효율이 기존 시스템에 비해 높지 않으므로 고성능 전자 기기의 냉각용이나, 화장품 냉장고와 같은 소형 냉동기기, 자동차 등에서의 폐열 회수 용으로 제한적으로 사용되고 있다. 하지만 열전 에너지 전환 효율은 새로운 열전물질의 개발에 의해 증가하고 있다.
열전물질을 평가하는 척도인 열전 성능지수는
ZT=S2σ
TIk (S:열전계수,σ:전기전도도, k:열전도도) 로 정의되며 이 값이 높을수록 열전 시스템의 효율이 증가한다. 기존의 냉각, 발전 시스템을 대체하기 위해서는 열전 성능지수가 3 이상인 열전 재료가 필요하지만 2000년대 들어서도 상온에서의 열전 성능지수는 1 정도가 고작이었다. 하지만 2001년 Venkatasubramanian 교수팀은 BiTe계열의 초격자 구조를 통해 상온에서 2.4 정도의 열전 성능지수를 가지는 물질을 만들어냈으며 이를 시작으로 나노구조를 이용한 열전 물질에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다 (Fig. 1).
나노구조에서 열전 성능지수가 증가하는 원인은 양자 구속 효과(quantum confinement)에 따른 열전계수(S)의 증가, 경계 산란에 의한 열전도도(k)감소가 주 원인으로 생각되고 있다. 이러한 원리를 이용해, 나노선(nanowire), 초격자(superlattice), 양자점(quantum dots) 등의 구조를 이용한 열전물질이 개발되고 있다.
이러한 나노구조 에서의 열, 전기, 열전 물성은 벌크 상태일 때와 매우 다르며 이에 대한 분석 또한 많은 연구가 이루어지고 있다.
하지만 대부분은 분자 동력학이나 볼츠만 수송 방정식 등을 이용한 해석적 방법이며, 실험적으로 나노 구조의 물성을 측정한 결과는 많지 않다. 특히 나노구조의 열전물성에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 나노스케일 에서의 열전물성을 측정하기 위해서는 매우 작은 한 점에서 가열과 온도측정, 열전전압 측정이 동시에 이루어져야 하는데, 이것이 매우 어려운 기술이기 때문이다.
하지만 본 연구진은 SSM 방법을 이용해 탐침의 끝에서 나노크기의 가열, 온도측정 그리고 열전전압 측정을 동시에 수행함으로써 나노 열전재료의 열전물성을 측정하는 방법을 개발하였다. 이를 이용하여 나노 열전재료의 특성을 규명하고 새로운 열전재료를 개발하기 위한 정보를 제공한다.
