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Research

2차원 물질의 구조를 제어해 열전변환 성능을 갖춘 신소재 개발

  • 조회. 340
  • 등록일. 2020.12.23
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 김정민 박사 연구팀, 2차원 전이금속 칼코겐 화합물인 니오븀 다이셀레나이드(NbSe2)의 적층 제어 기술 개발
- 열전변환 성능 갖춰 에너지 하베스팅 및 열전소자 상용화 기여 기대

 

김정민 박사

 DGIST는 나노융합연구부 김정민 박사 연구팀이 연세대학교(총장 서승환) 신소재공학과 이우영 교수 연구팀과 함께 차세대 반도체 물질인 2차원 전이금속 칼코겐 화합물의 적층 구조를 제어해 열전변환1) 성능을 가진 신소재를 개발했다고 23일(수) 밝혔다. 향후 정밀온도제어, 동시발열 냉각시스템 등 에너지 하베스팅2) 기술개발 및 열전소자 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

 최근 그래핀과 같은 전기적 특성과 강도를 가진 나노소재가 활발히 연구되고 있다. 그 중 2차원 전이금속인 칼코겐 화합물은 원자 간의 결합 방향과 적층 구조에 따라 다양한 밴드 구조3)와 전기적 특성을 가져 차세대 에너지 소재로 각광받고 있다. 특히 밴드갭(Band Gap)을 자연적으로 가지는 반도체 특성 때문에 응용분야가 무궁무진하다. 밴드갭은 물질 내 전자의 흐름을 조절하는 특정 에너지영역으로 전자소자 적용에 필수적 요소다.

 이 때문에 칼코겐 화합물 기반의 나노소재 중 2H 적층구조를 가진 니오븀 다이셀레나이드((2H-phase Niobium Diselenide, 2H-NbSe2)가 주목받고 있다. 하지만 낮은 제백 계수4)를 보이는 금속성 밴드구조로 인해 열전변환 성능이 낮아 상용화가 어려운 실정이다. 

 이에 공동연구팀은 금속성 밴드구조를 열전 변환에 유리한 반금속성 밴드구조로 변형시킨 새로운 다형체의 니오븀 다이셀레나이드를 제조했다. 연구팀은 고온에서의 고상반응법5)을 이용해 기존의 2H 적층구조를 새로운 형태의 3R 적층구조와 혼합해 2H-3R 형태의 변형된 화합물을 합성하는데 성공했다. 이를 통해 기존의 2H 적층구조 대비 열전 제백 계수를 약 40µV/K까지 향상시켰으며, 외부 전계효과에 대한 열전 성능 변화율이 큰 폭으로 향상됨을 확인했다.

 김정민 박사는 “동일 소재의 적층 구조 제어에 따라 다형체의 전자 밴드 구조를 변형시켜 전자 밴드구조 및 전기적 수송물성을 제어할 수 있음을 최초로 규명했다”며, “향후 2차원 소재의 에너지 하베스팅 기술 응용에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 한편 이번 연구는 연세대학교 신소재공학과 문홍재 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 에너지 과학 분야의 세계적 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 12월 1일자로 게재됐다.

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1) 열전변환 효과: 제백(Seebeck) 효과라고도 한다. 서로 다른 금속 접합부의 온도 차에 의해 전기에너지가 발생하는 현상

2) 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) : 버려지는 에너지를 수집해 전기 에너지로 변환하는 기술로 최근 신재생 에너지의 원천 기술로 각광받고 있다.

3) 밴드구조(Band Structure) : 결정 중 전자 에너지대의 밀도가 분포하는 양상을 총괄하여 밴드구조라고 하며, 전기전도성을 결정짓는다.

4) 제백계수 (Seeback Coefficient) : 물질 내부에 있는 온도 차이와 이에 따라 발생하는 전압을 결정하는 물질 고유의 계수. 제백계수가 높을수록 큰 전기에너지를 얻을 수 있는 양질의 열전소자가 될 수 있다.

5) 고온 고상반응법 : 세라믹 분말 합성법 중 하나로 분말을 배합한 후에 고온에서 반응시키는 방법

 

 

 연구결과개요     

Semimetallic features in thermoelectric transport properties of 2H–3R phase niobium diselenide

Hongjae Moon1, Jeongmin Kim1, Joonho Bang, Seokkyoon Hong, Seonhye Youn, Hyunjun Shin, Jong Wook Roh, Wooyoung Shim, & Wooyoung Lee*
(Nano Energy, 1st Dec. 2020)

 2차원 반데르발스 결정에서, 층간 적층 구조의 변형은 결정 대칭의 변화를 일으켜 새로운 다형체를 보이며 다양한 물리적 특성을 보여준다. 이 논문에서는, 잘 알려진 금속성 수송 거동을 보이는 2H-NbSe2비교하였을 때 반금속성의 게이트 의존 물성과 제백 계수에서 큰 차이를 보이는 새로운 다형체 2H-3R-NbSe2를 보고한다. 2H-3R-NbSe2의 반금속성 특성은 측정된 수송 물성과 일치하는 이론적 계산을 통해 확인되었으며 이는 소수 전하 (minor carrier)의 존재를 보여준다. 본 결과는 평형에서 멀지 않은 준안정한 2H-3R 구조의 NbSe2를 이해하고 효율적인 에너지 수확에 필요한 소재를 엔지니어링하는 방법을 밝힌다.

 

 

 연구결과문답     

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

본 연구는 2차원 소재의 적층 구조 제어를 통한 밴드 구조의 변형을 유도하여 열전 에너지 변환 성능의 증대를 제시하였다. 이는 기존 전이금속 칼코겐화합물의 밴드 구조 변형을 위한 많은 연구들의 접근법인 두께 제어와는 전혀 다른 새로운 접근법을 도입했다는 점에서 연구의 독창성을 말할 수 있다.


Q. 어디에 쓸 수 있나?

본 연구는 2차원 소재의 밴드 구조 및 전기적 수송 물성을 변화시킬 수 있는 간단한 방법으로서, 연구에서 다룬 재료 뿐 만 아니라 다양한 층상 재료에 적용이 가능할 것으로 생각된다. 이를 통해 저차원 반도체 소자 및 에너지 수확 소자 등 다양한 분야에 이용될 수 있을 것이라 기대된다.


Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

나노 열전 에너지 변환 소자로서의 실용화를 위해서는 기술의 대면적화 및 소재 안정성이 요구되어 진다. 아직 기계적 박리를 통한 마이크로 수준의 작은 크기에 불과하지만 결정 합성의 벌크화 및 열역학적 안정성에 관한 후속 연구를 수행할 경우 향후 머지않은 미래에 웨어러블 열전 에너지 수확 소자 등에 활용될 수 있을 것이라 기대된다.


Q. 연구를 시작한 계기는?

기존의 2차원 소재 밴드 구조 제어 연구들은 대부분 두께 변화를 통해 전기적 수송 특성을 변화시켜왔다. 하지만 안정성 및 나노시트의 소자 응용에 있어 모듈 내의 단차 및 에너지 수확을 위한 온도 구배 등을 유지하기 위해서는 특정 얇은 두께만 활용하기에는 한계가 있었다. 이를 해결하고자 2차원 소재에서 두께에 제한받지 않는 새로운 밴드 엔지니어링 기술을 구현해 보고자하는 측면에서 이 연구를 시작하게 되었다.


Q. 어떤 의미가 있는가?

합성 공정에서의 변수 제어를 통해 소재의 적층 구조를 변화시킨 연구 결과로서 다양한 전이금속 칼코겐 화합물의 전기적 수송 특성 제어에 활용 가능한 기술을 개발한 것이기 때문에, 앞으로 2차원 소재의 수송 특성 제어 방법에 접근하는데 큰 도움이 될 것이라 기대 된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 연구성과를 기반으로 전이금속 칼코겐 화합물 소재의 열전 수송 물성 증대에 기술적 이바지를 하고자 한다. 또한 소재의 성능 증대에서 더욱 발전시켜 저차원 소재기반의 열전 모듈을 제조해 국소 부위 에너지 수확과 관련된 연구를 계속 수행하고자 한다.
 

 

 그림설명     

[그림 1] 니오븀 다이셀레나이드(NbSe2)의 적층 구조 제어에 의한 전자 밴드구조 변형 및 열전 성능 분석그래프

<그림설명> 
(a) 고온에서의 고상합성법을 통해 NbSe2 소재의 적층 구조를 제어하여 2H phase에서 2H-3R phase로 구조를 변형시켰다.(b) 상 변화에 따라 기존의 페르미 준위에 전도띠만 존재하는 금속성 밴드 구조에서 전도띠 뿐만 아니라 가전자띠가 소수 존재하여 공존하는 반금속성 밴드 구조로 변화시켰다.
(c) 적층 구조 제어 기반한 밴드 구조의 변형을 통해 열전 제백 계수의 값 및 변화량을 증대시켜 열전 성능을 향상시켰다.

 

 

 

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