도요타학원 도요타공과대학 대학원 공학연구과의 마쓰나미 마사하루 준교수 연구팀이 자연과학연구기구 분자과학연구소 다나카 기요타카 준교수 연구팀과 손잡고, 각도분해광전자분광(ARPES) 기법을 통해 열전 소재의 고성능을 좌우하는 핵심 요소로 알려진 전자 산란의 영향을 세계 최초로 ‘눈에 보이게’ 드러내는 데 성공했다.
열전 소재는 산업 현장이나 일상에서 버려지는 열을 전기로 바꿀 수 있는 차세대 에너지 절감 기술로 주목받아 왔다. 지금까지는 열전 소재의 특성을 주로 ‘상태 밀도’의 에너지 의존성으로 설명해 왔다. 하지만 최근 연구에 따르면, 일부 고성능 열전 소재의 경우 상태 밀도만으로는 성질을 온전히 이해하기 어렵고, 그동안 사실상 간과돼 온 전자 산란의 에너지 의존성을 함께 고려해야 한다는 인식이 연구 현장에서 빠르게 확산되고 있다.
그럼에도 지금까지 열전 소재에서 전자 산란의 에너지 의존성이 실제로 관측된 사례は 없었다. 관련 논의는 모두 이론과 계산에 기반한 예측 수준에 머물러 있었다.
연구팀은 이번에 각도분해광전자분광 기법을 이용해, 콘도 효과로 인해 비정상적인 열전 특성을 보이는 물질 YbCu2Si2 내부 전자의 거동을 정밀하게 추적했다. 이를 통해 상태 밀도뿐 아니라 전자 산란에 관한 정량적인 정보까지 끌어내는 데 성공했다.
실험에서 얻은 상태 밀도 스펙트럼에서는 콘도 효과에 기인한 뚜렷한 피크가 포착됐다. 전자 산란을 특징짓는 ‘완화 시간’은 이 피크의 에너지를 경계로, 페르미 에너지에 가까워질수록 변화 폭이 급격히 커지는 것으로 나타났다. 완화 시간은 전자가 산란되기까지 걸리는 시간을 뜻하며, 이 값의 변화는 전자가 얼마나 ‘역동적으로’ 움직이고 있는지를 그대로 반영한다.
이 물질의 열전 특성을 설명하려면 페르미 에너지에서 그래프의 기울기가 양(+)수가 되어야 한다. 분석 결과, 상태 밀도는 이 조건을 충족하지 못했다. 대신 완화 시간이 이 조건을 만족한다는 점이 드러났다. 다시 말해, 이 물질의 비정상적인 열전 특성은 통상적인 소재처럼 상태 밀도만으로는 설명할 수 없고, 전자 산란이 결정적인 역할을 하고 있음을 실험으로 증명한 셈이다.
이번 연구는 전자의 역동성이 열전 소재의 고성능화를 이끄는 ‘열쇠’가 될 수 있음을 실험적으로 처음 확인했다는 데 의미가 있다. 연구진은 이번 성과를 발판으로 차세대 열전 소재 후보 물질들에서 전자 산란의 역할을 실험적으로 하나씩 규명하고, 이를 정밀하게 제어하는 전략을 세워 나간다면 성능 향상 속도가 크게 빨라질 것으로 내다보고 있다. 나아가 열전 변환 기술의 상용화와 사회적 확산도 한층 가속될 것으로 기대된다.
