이규형 교수팀, 고성능 열전소재 개발을 위한 물리인자 산출 수식 개발

실험 측정값을 이용한 전자상태밀도 유효질량 계산 수식 확립

열전소재 고능성화 전략 수립 및 열전물성 발현 메커니즘 규명을 위한 필수요소기술로 활용 기대

재료공학 분야 전문학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 신소재공학과 이규형 교수, 서울시립대 김상일 교수, 서울시립대 김현식 교수]

공과대학 신소재공학과 이규형 교수가 서울시립대 김상일, 김현식 교수와 함께 전하밀도에 따른 제벡계수 측정값을 이용하여 전자상태밀도(density of states) 유효질량(effective mass)을 매우 적은 오차로 계산할 수 있는 수식을 확립했다.

전자상태밀도 유효질량은 열전소재(thermoelectric materials, 열-전기 에너지를 직접적이고 가역적으로 변환할 수 있는 반도체 특성의 소재)의 성능을 결정하는 중요한 물리인자 중 하나로 열전소재의 성능 증대를 위한 전략 수립 및 열전소재 성능 증대 메커니즘 규명을 위해서 필수적으로 고려해야 한다.

전자구조와 관련한 이론적 해석 및 실험값을 이용하여 전자상태밀도 유효질량을 계산할 수 있으나 복잡한 이론 및 관련 수식에 대한 이해가 필요하여 물리 전공자를 제외한 열전소재 연구자들은 활용에 큰 제한이 있는 실정이다.

이규형 교수팀은 열전소재 연구자들에게 연구 수월성을 제공함은 물론 고성능 소재 개발 전략의 유효성을 검증할 수 있는 방법론을 제공했다. 본 연구에서 제시한 수식은 실험적으로 측정이 용이한 전하밀도에 따른 제벡계수 값을 이용하여 전자상태밀도 유효질량을 산출할 수 있으며, 다양한 열전소재에 대해 계산 실효성을 검증하여 계산 정밀도가 높은 장점이 있다.

기존 개발된 열전소재의 성능 증대가 정체되고 있는 상황에서 기술적 혁신을 위한 소재 개발 전략 수립 및 그 유효성을 검증할 수 있는 필수 요소기술로 활용이 기대된다.

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[그림 1. 전하밀도(n)에 따른 제벡계수(S) 측정값을 이용하여 전자상태밀도 유효질량(md*)을 산출하는 계산 수식]

본 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업(미래기술연구실) 지원으로 진행됐으며, 재료공학 분야 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 6월 9일 온라인 게재됐다.

논문정보

- 논문제목: Approach to Determine the Density-of-States Effective Mass with Carrier Concentration-Dependent Seebeck Coefficient

- 논문주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203852