‘금속-부도체 상전이 물질’에서 전자에 의한 열전도 낮은 현상 발견
이번 발견으로 열전소자, 스마트 윈도우 등의 다양한 열이동 활용 분야에 파급 효과가 예상된다.
또한 이번 연구 결과를 세계적 과학 학술지인 ‘사이언스’ 지난 27일자(미국 동부 기준)에 발표했다.
이번 연구 결과는 일반적인 금속에서 전자들이 이동할 때 열을 동반하는 것과 달리 이산화바나듐의 경우 극히 적은 열만이 동반해 이동되는 것이다.
이 같은 효과는 이산화바나듐에서 전자들이 전류를 이동시키지만 열은 이동시키지 않는 것과 같은 결과를 가져온다.
이번 연구는 금속 상태인 이산화바나듐이 기존 전도체에서 단단하게 지켜지는 교과서적인 법칙으로부터 극단적으로 벗어나는 결과를 보여줬다.
이에 따라 새로운 특이 전도체들에서의 전하 거동을 근본적으로 이해하는데 있어 매우 중요한 정보를 제공한다.
기존 연구들에서 이산화바나듐이 상전이 할 때 전체 열전도율이 크게 변하지 않는 현상은 관찰돼 왔다.
하지만 전자에 의한 열전도율이 어떻게 변하는지는 밝혀지지 않았다.
물질 내 같은 방향으로 진행되는 전기전도율과 열전도율은 정확히 측정하기 어렵고 상전이 전후의 전자에 의한 열전도율과 결정격자진동에 의한 열전도율의 변화 역시 분리해 내기 어려웠기 때문이다.
이상욱 교수 연구팀은 나노크기의 이산화바나듐 단결정 막대의 전기전도율, 열전도율, 시벡계수의 측정값과 벌크 단결정을 이용한 X-선 산란분석했다.
제1원리를 이용한 시뮬레이션 결과를 토대로 전체 열전도에 기여하는 전자에 의한 열전도와 격자진동에 의한 열전도를 분리, 그 과정을 찾았다.
연구팀은 이 과정을 통해 금속 상태의 이산화바나듐의 전자에 의한 열전도가, 대부분의 금속은 같은 온도에서 전기 전도도와 열 전도도가 비례한다는 프란츠-비데만(Wiedemann-Franz) 법칙으로 예상되는 값보다 10배 낮다는 결과를 도출했다.
여기에 연구팀은 이산화바나듐에 텅스텐을 첨가(doping)할수록 일반적인 금속의 성질로 변해간다는 사실을 발견해 냈다.
텅스텐이 도핑된 이산화바나듐은 부도체에서 금속으로 상이 순간적으로 변하면서 전기전도율이 급격히 증가함과 동시에 열전도율도 크게 증가하는 것을 확인했다.
이상욱 교수는 “높은 온도는 열이동이 크고 낮은 온도는 열이동이 낮아 나노 스케일에서 열의 이동을 제어할 수 있다”며 “이번 연구로 폐열을 이용해 전기를 생산하는 열전시스템, 에너지 절감형 스마트 윈도우, 나노 전자소자의 열방출 등과 같은 다양한 열이동 활용 분야 발전에 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
또 “아직 이러한 물리적 현상이 제대로 이해되려면 많은 추가연구가 필요하지만 이 현상의 응용에 대한 연구는 빠르게 진행될 수도 있다고 생각한다”고 덧붙였다.
대구 구·군청, 교육청, 스포츠 등을 맡고 있습니다.