경북대학교는 노종욱 나노신소재공학과 교수팀이 자성 나노입자를 활용해 열전소재의 고온 성능 저하 문제를 완화할 수 있는 새로운 전략을 제시했다고 20일 밝혔다.
열전소재는 전기를 흘리면 한쪽은 차가워지고 반대쪽은 뜨거워지는 특성이 있다. 별도의 냉매나 복잡한 기계 장치 없이도 온도를 정밀하게 조절할 수 있어 반도체 부품, 정밀 센서 등 전자기기의 국소 냉각 분야에서 핵심 소재로 꼽힌다.
현재 상온에서 성능이 우수한 '비스무트-안티모니-텔루륨(Bi-Sb-Te)계' 소재가 널리 쓰이지만, 온도가 높아지면 소재 내부에서 전자와 정공이 동시에 증가하면서 전하 수송 효율이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.
연구팀은 철(Fe)과 코발트(Co) 기반의 자성 나노입자를 열전소재 내부에 도입하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 소재 속에 분산된 미세한 자성 입자들이 마치 '나노 자석'처럼 작동하며, 고온에서 성능 저하를 일으키는 불필요한 전하의 움직임을 선택적으로 조절하도록 설계한 것이다.
연구 결과 자성 나노입자는 온도가 높아질 때 성능 저하를 유발하는 전하 흐름을 줄여 고온에서도 안정적인 성능을 유지하는 것으로 나타났다. 특히 철 나노입자를 적용한 소재는 약 210℃(483K)에서도 기존 소재 대비 약 50% 높은 열전 성능을 유지했다. 이는 기존의 단순 물질 첨가 방식에서 벗어나, 자성을 통해 열전소재 내부의 전하 수송 흐름을 선택적으로 조절할 수 있다는 가능성을 제시한 성과다.
노종욱 교수는 “자성 나노입자를 이용해 열전소재 내부의 전하 흐름을 선택적으로 제어할 수 있는 가능성을 열었다. 향후 반도체와 정밀 센서 등 온도 제어가 필요한 첨단 산업 분야에서 고효율 냉각 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
한국연구재단과 과학기술정보통신부의 지원으로 경북대 지역혁신선도연구센터를 통해 수행된 이번 연구 결과는 최근 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 컴포지트 앤 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)'에 게재됐다. 연세대 이규형 교수, 서울시립대 김현식 교수팀과 공동으로 진행한 이번 연구에는 경북대 예성욱 박사과정생과 미국 노스웨스턴대 허민수 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
