Special  열전재료 개발 최신 동향 및 응용 전망

소재 열전물성 측정평가 기술

송 재 용_ 한국표준과학연구원 소재게놈측정센터 책임연구원

1. 서 언

열전현상(thermoelectric)은 두 물질 사이에 전류를 인가함으로써 두 물질의 접합부 양단에 발열 및 냉각이 이루어져 온도차를 발생시키거나(peltier effect), 역으로 두 물질간의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상(seebeck effect)을 함께 일컫는다. 이러한 열전현상을 보이는 열전소재는 냉매를 사용하지 않는 열전냉각 소자나, 열을 직접 전기로 변환하는 열전발전 소자에 사용되며 이러한 기술을 열전변환기술이라 한다. 높은 열전변환 효율을 얻는다는 것은 열에너지가 최대한 전기에너지로 변환되거나 최소한의 전기에너지로 냉각 효과를 극대화하는 것이다. 이러한 열전소자의 높은 열전변환 효율은 열전소재에 의해 결정되기 때문에 고성능의 열전소재를 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 열전변환효율이 우수한 열전소재는 다음과 같은 특징이 요구된다. 즉, 열전소재의 양단간에 온도차가 있을 때 형성되는 전위차를 나타내는 제벡계수(Seebeck coefficient, S) 커야 하고, 이러한 전위차에서 가능한 많은 전류가 흘러야 하므로 높은 전기전도도(electrical conductivity, σ)가 필요하다. 또한 열전소재 양단간의 온도차를 정상상태(steady state)에서 가능한 크게 유지해야 하므로 열전도도(thermal conductivity, κ)가 작아야 한다. 이와 같은 관계를 표현하면 아래와 같다. [1]

식(1)

제벡계수, 전기전도도, 열전도도는 온도(T)에 따라 변하기 때문에 식(1)과 같은 무차원지수(dimen-sionless figure-of-merit, ZT)로 표현한다. 식(1)은 특정 온도에서 얻을 수 있는 열전변환효율을 무차원지수로 나타내는데, 예를 들어 고효율 열전소재로 알려진 Bi2Te3의 경우 대략 상온에서 ZT~1로 알려져 있다.
열전소재 개발에는 반드시 위와 같이 열전파라미터(제벡계수, 전기전도도, 열전도도)를 온도변화에 따라 측정 평가하여야 한다. 하지만, 현재까지 열전변환효율 측정표준이 국제적으로 확립되어 있지 않고, 각 연구그룹에서 자체 개발한 측정기술을 활용하거나, 상용화된 측정장비를 활용하고 있는 실정이다. 이 때문에 열전소재의 열전변환효율 결과가 신뢰받지 못하여 고효율 열전소재 개발에 장애가 되고 있다. 이러한 원인은 열과 관련된 열전 파라미터(제벡계수, 열전도도)의 측정의 불확실성에서 주로 기인한다. 또한 캐리어 농도, 이동도와 같은 열전수송특성(thermoelectric transport property) 등을 이해해야 열전소재의 열전특성을 분석하여 고효율 열전소재 개발의 효율을 높일 수 있다. 따라서 아래와 같이 고효율 열전소재 개발에 반드시 필요한 측정기술 개발을 간략히 소개하고 열전파라미터를 측정할 때 고려할 사항을 제시하고자 한다.

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