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SrTiO3 인공초격자와 FET의 열전특성

전문가 제언: ○ 열전변환(thermoelectric conversion)이란 재료의 양단에 온도차를 부여하면 기전력이 발생하는 Seebeck 효과를 이용하여 열을 전기로 변환하는 열전발전(TEG)과 이와는 가역적으로 전기를 통하면 재료의 양단에 온도차가 발생하는 Peltier 효과를 이용하는 열전냉각(TEC)을 말한다.

○ 열전냉각은 전자장치나 반도체 분야의 국부냉각이나 온도제어용으로 많이 실용되고 있으며 VA-VIA족 화합물(Bi-Te계)을 소자로 하는 각종 냉각모듈이 시판되고 있다. 열전발전은 500W 미만의 소형 전원장치가 실용되고 있으나 재료효율의 한계로 인하여 인공위성용 전원, 무선기지국 전원, 군사용 전원 등 특수목적의 용도에 이용이 제한되고 있다.

○ 최근 고유가와 CO2 저감을 위한 대책으로 에너지 절약의 필요성이 강조됨에 따라 폐에너지의 효과적 이용을 위한 열전발전에 관심이 커지고 있다. 일본에서는 소각로의 배열(250~270℃)을 이용한 500W급 발전장치의 시운전에 성공하고 있다. 또 제철소 폐열의 회수용으로 저온 측에 Bi-Te계, 고온 측에 Co-Sb계 재료를 이용한 다단 모듈을 구성하면 1,173K의 폐열을 11%의 발전효율로 회수가 가능하다고 보고되고 있다.

○ 현재 실용되고 있는 열전발전용 재료에는 500℃ 이하의 중온용으로 Pb-Te계, 500℃ 이상의 고온용으로 Si-Ge계가 있으나 재료성능의 척도가 되는 ZT값은 1.0 미만으로 열→전기 변환효율은 p-n소자 단위에서 10% 미만이다. 본고에서 소개한 SrTiO3 인공초격자의 제벡계수는 벌크재의 4.4배를 나타낸다. 재료과학적으로는 흥미있는 결과이나 초격자를 위한 재료공정 비용과 박막 상태임을 고려하면 열전발전용으로 이용하는 것은 매우 곤란하다.

○ 국내에서도 Bi-Te계, Fe-Si계에 대한 재료연구가 있었으나 이렇다 할 성과는 보고되지 않고 있다. 열전발전에는 변환효율과 함께 내열성도 중요하다. 또 실용화에는 경제성도 중요한 요인이다. 천이금속(Fe, Co, Mn) 규화물(silicide)은 효율은 낮으나 내열성이 우수하고 가격에서 유리하므로 변환효율을 높일 수 있는 재료설계에 관한 연구가 필요하다.

저자: Hiromichi Ohta
자료유형: 학술정보