2차원 반도체 기반의 열전소자 연구
Seebeck과 Peltier 효과를 이용한 열전 발전 및 냉각은 환경 친화적인 신재생 에너지원이고, 많은 제품들이 제작 판매되고 있다. 활용도를 높이기 위해선 열전 발전 및 냉각 방법의 낮은 에너지 효율(약 5%)을 높이는 것이다. 이전 중점연구소에서는 신물질 개발에 역점을 두고 연구를 수행하였으며, Bi-도핑된 2차원 반도체 SnSe에서 ZT=2.2 인 물질을 개발하여 그 결과를 Nature Communications 에 보고 하였다. 2차원 반도체가 높은 전기전도도/열전도도의 비를 갖기 때문에, 열전 효율이 높을 것을 예상하고 있다. 새로운 단종, 이종 또는 다종 2차원 반도체 개발과 열전 특성 향상 연구를 수행할 계획이다. 벌크 결정과 박막의 두 방향으로 시도할 계획이다.
부정합층 화합물 (Misfit Layer Compounds, MLC)은 층상으로 아주 정교하게 배열된 나노복합체의 일종으로 구조에 기인한 낮은 열전도도로 인하여 높은 열전 성능지수 (ZT)가 예상되고 있다. 현재까지 알려진 부적합 층상 칼코제나이드는 (MX)m(TX2)n의 관계식을 갖고 있다 (M=Sn, Pb, Sb, Bi; T=Ti, V, Nb, Ta, Cr; X=S, Se). 현재까지 알려진 최고 열전성능지수를 갖는 열전물질은 2차원 반도체 SnSe이며, 상온 근처에서 상업적으로 널리 활용되고 있는 물질 또한 2차원 반도체 (BiSb)2(TeSe)3이다. 2차원 반도체의 높은 열전성능지수는 약한 반데발스 결합에 의한 낮은 열전도도에 기인한다. 따라서 2차원 반도체의 고유 특성을 활용한 부정합층 화합물 성장은 전기전도도와 제벡계수 희생 없이 열전도도를 보다 더 낮출 수 있기에 높은 열전 특성이 예상된다.
본 연구팀에서는 M과 T가 모두 Sn인 SnSe와 SnSe2 이종 벌크 결정을 성장하였으며, XRD 패턴에서 이종 결정임을 확인할 수 있었다. 이 결과는 2차원 반도체 SnSe와 SnSe2 이종결정을 단결정 수준으로 성장할 수 있음을 의미한다. 본 연구에서는 SnSe와 SnSe2층의 주기 및 두께 등을 3차원 결정에서 인위적으로 조절하는 연구 및 계면 특성 조절 연구를 우선 수행하고, 이를 바탕으로 다른 2차원 반도체 시스템으로 확대하여 효율 높은 이종 또는 다종 열전 물질을 탐색한다.
이종 2차원 반도체 개발 및 열전 특성 향상 연구
-MBE 법으로 이종 2차원 반도체 성장, 원자레벨 두께 조절 및 열전 특성 향상 연구
-Temperature Gradient Method 법으로 벌크 이종 결정 성장 및 열전 특성 향상 연구
다종 2차원 반도체 개발 및 열전 특성 향상 연구
- MBE 법으로 다종 2차원 반도체 성장, 원자레벨 두께 조절 및 열전 특성 향상 연구
- Temperature Gradient Method 법으로 벌크 다종 결정 성장 및 열전 특성 향상 연구