KR101469760B1 - 열전 특성에 최적화된 열전 소재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 금속이나 반도체와 비교하여 전기 전도도가 크고, 작은 띠 간격(electrical band gap)을 갖도록 설계된 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 층상 구조 화합물의 층 혼합이 있으며, 화학식 MQ2/MQ'2의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 열전 특성에 최적화된 열전 소재를 제공한다.

Description

열전 특성에 최적화된 열전 소재{THERMOELECTRIC MATERIALS OPTIMIZED ON THERMOELECTRIC PROPERTY}
본 발명은 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 금속이나 반도체와 비교하여 전기 전도도가 크고, 작은 띠 간격(electrical band gap)을 갖도록 설계된 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 관한 것이다.
일반적으로 열전재료는 펠티어 효과(Peltier effect) 및 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 능동냉각 및 폐열발전 등에 응용할 수 있는 재료이다. 상기 펠티어 효과는 도 1에 도시한 바와 같이 외부에서 DC 전압을 가해주었을 때 p-type 재료의 정공과 n-type 재료의 전자가 이동함으로써 재료 양단에 발열과 흡열을 일으키는 현상이다. 상기 제벡 효과는 도 2에 도시한 바와 같이 외부 열원에서 열을 공급 받을 때 전자와 정공이 이동하면서 재료에 전류의 흐름이 생겨 발전(發電)을 일으키는 현상을 말한다.
이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각은 소자의 열적 안정성을 개선시키고 진동과 소음이 없으며 별도의 응축기와 냉매를 사용하지 않아 부피가 작고 환경 친화적인 방법으로서 인식되고 있다. 이와 같은 열전재료를 이용한 능동냉각의 응용분야로서는 무냉매 냉장고, 에어컨, 각종 마이크로 냉각 시스템 등에 사용할 수 있으며, 특히, 각종 메모리 소자에 열전소자를 부착시키면 기존의 냉각방식에 비해 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수 있으므로 소자의 성능을 개선할 수 있다.
한편 제벡효과(Seebeck effect)를 이용하여 열전재료를 열전발전에 활용하면 폐열(waste heat)을 에너지 원으로 활용할 수 있어서 자동차 엔진 및 배기장치, 쓰레기 소각장, 제철소 폐열, 인체 열을 이용한 인체 내 의료기기의 전원 등 에너지의 효율을 높이거나 폐열을 수거하여 사용하는 다양한 분야에 응용할 수 있다.
이와 같은 열전재료의 성능을 측정하는 인자로는 하기 수학식 1과 같이 정의되는 무차원 성능지수 ZT값을 사용한다.
<수학식 1>
Figure 112013093011507-pat00001
(여기에서, S는 제벡계수, σ는 전기 전도도, T는 절대 온도, k는 열 전도도이다.)
상기 무차원 성능 지수 ZT값을 증가시키기 위해서는 제벡계수와 전기전도도가 높고 열전도도가 낮은 재료를 찾아야 한다.
층상 구조를 형성 하는 MQ2 화합물들은 (WS2, WTe2, WSe2, MoS2, MoTe2, MoSe2) 상대적으로 높은 제벡계수를 지니며 낮은 열전도도를 보이는 물질이다. 따라서 MQ2 화합물들은 열전 소재로 사용될 가능성을 지닌 물질이다. 하지만, 이 물질은 띠 간격 (band gap)이 크며 페르미 에너지 (Fermi level) 근처의 전자밀도가 낮고, 전기전도도가 낮아 열전소재로써 실질적인 응용에는 장벽이 존재 한다. 기존의 MQ2 화합물의 띠 간격 (band gap)은 1.0-2.5 eV 이며 전류밀도는 10151017- cm- 3정도이다. 이처럼 커다란 띠 간격 (band gap)은 원자가 전자띠 (Valence band) 와 전도띠 (Conduction band) 사이의 전자와 정공 수송에 어려움을 주며 이는 열전 특성을 낮추는 요인이 된다. 또한 이정도의 전류밀도는 열전소재의 최적화 된 전류밀도인 1019~1020 cm-3에 미치지 못하는 것으로써 열전물성 최적화가 이루어지지 않았다. 따라서 MQ2 화합물의 열전성능 향상을 위해서는 이러한 문제를 해결 하여야 한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 층상 화합물 MQ2의 열전 성능을 향상시키고자 하는 방안으로써 MQ2 화합물들의 (M=Mo, W; Q=S, Te) 층 혼합을 통하여 서로 다른 화합물의 층들이 교대로 배열된 구조를 갖는 새로운 조성의 화합물 MoS2/MoTe2 그리고 WS2/WTe2에 대하여 범밀도 함수 이론 계산을 수행하여 전자 구조를 분석하고 이를 토대로 하여 전기 전도성을 향상시키며 띠 간격을 좁혀 파워팩터 증대에 의한 열전특성을 향상시킬 수 있는 열전 특성에 최적화된 열전 소재를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 특성에 최적화된 열전 소재는 층상 구조 화합물의 층 혼합이 있으며, 하기 화학식 1의 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.
(화학식1)
MQ2/MQ'2
상기 식에서 M은 몰리브덴 또는 텅스텐이며, Q는 황(S), Q'는 텔루륨(Te)이다.
또한, MQ2/MQ'2에서 MQ2 층과 MQ'2 층이 교대로 배열 되어 교대층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전소재가 평면 내(in-plane) 방향으로는 공유결합을 형성하며, 평면 외 방향(out of plane)으로는 층간 결합을 형성하며, 층간 결합에 의해 반데르 바알스(Van der Waals) 결합이 약화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전소재가 평면 외 방향으로의 층간 결합에 의해 저차원 전도특성이 강화되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 의하면, 전기전도도가 크고 띠 간격이 매우 작아진 화합물 또는 열전소재가 제공되므로, 열전 성능이 향상되며 이와 같은 열전소재는 무냉매 냉장고, 에어컨, 폐열발전, 군사 항공 우주용 열전 핵발전, 마이크로 냉각 시스템 등의 열전소자 응용분야에 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 펠티어 효과에 의한 열전냉각을 나타내는 개략도이다.
도 2는 제벡효과에 의한 열전발전을 나타내는 개략도이다.
도 3은 케리어 농도와 열전 성능 간의 관계를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 교대층 화합물의 기하학적인 구조를 나타내는 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 교대층 화합의 전자구조 재조합에 대한 개략도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 범밀도 함수 이론 계산을 통하여 얻어진 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 에 대한 상태밀도를 도식한 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)에 대한 에너지띠를 나타낸 그림이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대한 상태밀도를 도식한 그림이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 범밀도 함수 이론 계산을 통하여 얻어진 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대한 에너지띠를 나타낸 그림이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)에 대하여 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 화학포텐셜 변화에 따른 제벡계수를 나타낸 그림이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)과 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대하여 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 화학포텐셜 변화에 따른 제벡계수를 나타낸 그림이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대하여 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 온도에 따른 전기전도도를 나타내는 그림이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 MQ2 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)와 그들의 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대하여 범밀도 함수 이론에 기반을 둔 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 열전 성능 평가의 지표가 되는 파워팩터( S 2 s )를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재를 구현하기 위한 과정을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일구현예에 따른 열전소재로 유용한 화합물은 하기 화학식 1의 조성물은 갖는다:
<화학식 1>
MQ2/MQ'2
여기서, 상기 M는 전이금속 원소를 나타내고 Mo 또는 W 원소이다;
상기 Q 및 Q'은 서로 상이하고, 칼코겐원소를 나타내며 Q는 S 원소이며, Q'은 Te 이다
상기 화학식 1의 조성을 갖는 화합물은 2차원의 층상 구조를 지니며, 일정방향으로 배향성을 갖게 되고, 층간 van der Waals 결합을 통해 낮은 열전도도를 나타낸다.
특히, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 교대층 화합의 전자구조 재조합에 대한 개략도를 나타낸 것으로서, 상기 화학식 1의 조성을 갖는 화합물은 S 와 Te 의 전기음성도 차이와 원자반경 크기의 차이에 의해 기존의 순수한 MQ2 의 띠 간격에 비해 도 5에서 보여주는 참고도와 같은 전자구조 재배열에 의해 띠 간격이 조정이 용이 하다. 특히, 띠 간격이 작아지면 적정 영역에서 전자와 주변 원자들과의 강한 상호작용으로 상기 화합물의 페르미 부근의 전류 밀도가 높아져 전기전도도를 향상 시키므로 보다 바람직하다. 또한 띠 간격이 작아지고 전류 밀도가 높아짐에 따라 원자가 전자띠 (Valence band) 와 전도띠 (Conduction band) 사이의 전자 와 정공 수송이 원활해져 열전성능 향상에 바람직하다.
상기와 같이 페르미 부근의 전자구조 재조합을 유도하여 전자 띠 간격의 축소를 유발하는 방법으로서는 층상 화합물 MQ2 의 서로 다른 화합물의 층들이 서로 교대로 배열된 구조를 지닌 화학식 1의 조성을 갖는 새로운 화합물의 제안을 통하여 가능 하다.
상기와 같이 전류밀도와 띠 간격을 변화시킴에 의해 상기 화학식 1의 화합물의 평면 내(in-plane)의 금속-칼코겐 원자 사이의 결합력이 강해지고, 평면 외(out of plane) 방향으로의 반데르바알스 결합력이 약화되면 저차원 전자구조 특성이 강화되어 낮은 열전도도를 나타낸다.
상기 화학식 1의 화합물에서 A층과 B층 의 적절한 조합은 페르미 부근의 전류밀도를 높여 전기전도도가 개선됨으로써 열전성능지수 평가의 척도가 되는 파워팩터 ( S 2 σ )를 향상시켜 하기 수학식 1의 ZT값이 증가하게 된다:
<수학식 1>
Figure 112013093011507-pat00002
여기서, S는 제벡계수, s는 전기전도도, T는 절대온도, κ는 열전도도이다.
이와 같은 화학식 1의 화합물을 구성하는 각 성분은 서로 결합하여 층상 구조를 형성하며, 이들 층상 구조에서 in-plane 상으로는 공유결합을 형성하며, 이들 층간 결합, 즉 평면 외(out of plane) 결합은 반데어 바알스 결합을 형성한다.
일반적으로 전기전도도 (s)는 s=neμ 로 쓰여 질수 있으며 제벡계수 (S)는 S=(1/n)2/3 으로 쓰여 질수 있다. 여기에서 n은 캐리어 농도 (carrier concentration)로서, 전자 및 정공의 농도를 나타낸다. 제벡계수 (S) 는 캐리어 농도에 반비례하고 전기전도도 (s) 는 캐리어 농도에 비례하기 때문에 제벡 계수와 전기전도도는 캐리어 농도의 종속 변수이다. 따라서 열전소재가 좋은 열전성능을 보이기 위해서는 적절한 캐리어 농도를 지녀야 한다. 즉, 금속의 경우에는 일반적으로 캐리어 농도가 아주 높고 띠 간격이 없어 전기전도성이 좋으나 지나치게 높은 캐리어 농도로 인해 제벡계수값이 낮아져 열전성능이 아주 낮아 열전소재로써 불리하다. 반대로 띠 간격이 지나치게 넓은 부도체의 경우 높은 제벡계수를 보이지만 낮은 캐리어 농도에 의해 열전 성능은 아주 낮다.
도 3은 열전소재가 좋은 열전성능을 보이기 위한 캐리어 농도와 열전 성능 간의 관계를 도시한 것이다. 도 3에서 보여주는 바와 같이 좋은 열전소재는 최적화된 전류밀도와 띠 간격이 필수적이다.
또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재 에 적용되는 교대층 화합물의 기하학적인 구조를 나타낸 것이다. 도 4에 도시한 바와 같이 상기 화학식 1의 화합물에서 S 원자와 Te 원자간 전기음성도와 원자반경 차이에 의한 상태밀도 개략도에서처럼 MS2 층과 MTe2 층의 서로 다른 전자구조에 기여에 의해 띠 간격이 작아지고 원자가 전자띠와 전도띠 간의 상호 작용이 가능하여 전자 및 정공수송이 원활해진다. 이 효과에 의해 전류밀도가 증가하고 증가한 전류밀도는 전기 전도도를 크게 상승 시켜 열전성능이 향상된 좋은 열전소재로써 역할을 하게 된다.
상기 화학식 1의 화합물에서 평면 내(in-plane) 방향의 각 층의 공유 결합성격은 더욱 강해지고, 층간 결합, 즉 평면 외(out-of-plane) 방향의 반데르바알스 결합은 더욱 약화되어 out-of-plane 방향으로는 포논(phonon)의 전달이 어렵게 된다. 따라서 in-plane 에서는 전자전도도가 커지게 되고 out-of-plane 방향에서는 열전도도가 낮아지게 되어 열전성능이 높아지게 된다.
상기 화학식 1의 화합물은 그 격자 구조 내에서 저차원적인 전기 특성을 가짐에 따라 페르미 레벨에서 에너지 상태 밀도가 높아지고, 높아진 에너지 상태 밀도에 의해 낮은 제벡계수를 갖게 된 것으로 해석할 수 있다.
따라서 본 발명의 일구현예에 따른 상기 화학식 1의 화합물은 높은 전기전도도를 나타냄과 동시에 낮은 열전도도를 나타낸다. 따라서 열전소재로서 가장 먼저 요구되는 특성인 파워팩터의 증가를 만족시키게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 범밀도 함수 이론 계산을 통하여 얻어진 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 에 대한 상태밀도를 도식한 그림이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)에 대한 에너지띠를 나타낸 그림이다.
여기서, 범밀도 함수 이론을 이용한 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)의 전자구조 분석은 도 6 및 도 7의 그래프를 통하여 제시된다.
도 6 에 나타낸 바와 같이 모든 물질들은 반도체 특성을 나타내며 띠 간격이 0.7-1.0 eV 이다. 일반적으로 범밀도 함수 이론 자체의 오차로 인해 범밀도 함수 계산에 의해 재현된 띠 간격은 실제의 50~60% 정도로 알려져 있다. 따라서 실제의 실험으로 측정된 MQ2 화합물들의 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 띠 간격은 1~2 eV 정도 일 것으로 예상된다. 이러한 커다란 띠 간격은 열전소재로써 아주 불리한 조건이다.
또한 도 7은 범밀도 함수 계산을 통해 얻어진 순수한 MQ2 화합물들의 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 역격자내 전자 거동을 나타내는 에너지밴드 (Energy Band dispersion)를 보여주고 있다.
즉, 도 7 분석에 의하면 모든 MQ2 화합물들은 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 간접띠 간격 반도체임을 알 수 있고 페르미 부근의 전자 거동으로 유추 했을 때 전류밀도가 낮아 낮은 열전 성능을 보일 것으로 예상된다. 따라서 이를 극복하기 위해 MQ2 화합물들의 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 전자구조 변형에 의한 열전성능 향상 방안을 고려하게 된다.
전자구조 변형을 위해 가장 널리 쓰이는 방안으로는 전자나 홀을 도핑시켜 패르미 부근에 새로운 에너지 레벨을 도입하는 방법이 있다. 하지만 이 방법은 전자나 홀의 적절한 농도 조절에 어려움이 있고 또한 도핑된 화합물의 기하학적인 구조를 밝히는데 어려움 있어 체계적인 연구에 어려움이 따르게 된다.
따라서 본 실시예에서는 MQ2 화합물들의 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 전자구조 변형에 의한 열전성능 향상 방안으로서, 서로 다른 화합물들의 층들이 교대로 배열된 교대층 혼합 방식을 고려한다. 교대층 혼합방식은 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 의 기하학적인 구조를 쉽게 알 수 있고, 적절한 MQ2 화합물들의 적절한 조합에 의해 최적화된 열전특성을 보일 수 있도록 전자구조 변형이 용이 하므로 매우 유용한 방안이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대한 상태밀도를 도식한 그림이고, 도 9은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 범밀도 함수 이론 계산을 통하여 얻어진 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대한 에너지띠를 나타낸 그림이다.
여기서, 범밀도 함수 이론을 이용한 교대층 화합물 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2) 에 대한 전자구조 계산 및 분석은 도 8 및 도 9의 그래프를 통하여 제시된다.
도 8을 참조하면, 기존의 MQ2 화합물에 비해 MoS2/MoTe2 와 WS2/WTe2 의 띠 간격이 매우 감소되어 있음을 볼 수 있다. 이는 S 와 Te 원소의 전기음성도와 원자반경 차에 의해 전자구조 변형에 의한 것으로 해석된다. 즉, 교대층 화합물의 띠 간격은 순수한 MQ2 의 띠 간격에 비해 0.1 eV 이하로 급격히 감소함 볼 수 있는데, 페르미 부근의 상태밀도가 증가 하는 것으로 보아 전자와 정공의 농도인 캐리어 농도가 증가함을 알 수 있다. 따라서 제벡계수는 다소 감소하겠지만 전기전도도가 크게 증가할 것을 예상할 수 있다.
또한 도 9 는 범밀도 함수 계산에 의해 얻어진 교대층 화합물 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2) 의 역격자 내의 전자거동을 보여주는 에너지 띠 (energy band dispersion) 를 보여준다. 도 9 에 따르면 순수한 MQ2 는 간접 띠 간격을 갖는데 반하여 모든 MQ2 교대층 혼합물 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2) 은 직접 띠 간격을 갖는 물질로 전자구조 변형이 일어난다. 이는 층 혼합으로 인하여 층내 (in-plane) 의 상호 작용, 즉, 금속 dx2 - y2 과 칼코겐 px, py 사이의 상호작용은 더욱 강화되는데 반하여 층간 (out of plane)의 상호 작용은 약화됨에 의한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)에 대하여 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 화학포텐셜 변화에 따른 제벡계수를 나타낸 그림이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)과 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대하여 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 화학포텐셜 변화에 따른 제벡계수를 나타낸 그림이며, 도 12은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재에 적용되는 교대층 화합물 MQ2/MQ'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대하여 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 온도에 따른 전기전도도를 나타내는 그림이다.범밀도 함수 이론에 기반한 MQ2 화합물(MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)과 교대층 화합물 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2) 의 열전특성 분석은 도 10, 도 11 및 도 12의 그래프를 통하여 제시된다.
도 10 은 순수한 MQ2 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 에 대하여 볼츠만 수송 방정식 계산을 통하여 얻어진 화학 포텐셜 변화에 따른 제벡계수의 변화를 다양한 온도에 대해서 보여주고 있다. 도 10에서 검정, 빨강, 녹색 그래프는 100, 200, 300 ℃ 에서의 제벡계수 변화를 나타낸다. 도 8에서 보여주는 바와 같이 순수한 MQ2 화합물들(MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)은 기하학적인 구조와 전자구조가 서로 유사하여 비슷한 열전특성을 보인 것으로 증명되었다.
도 11 은 교대층 화합물들에 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2) 대하여 볼츠만 수송 방정식 계산을 통하여 얻어진 화학 포텐셜 변화에 따른 제벡계수의 변화를 다양한 온도에 대해서 보여주고 있다. 도 11에서 검정, 빨강, 녹색 그래프는 100, 200, 300 ℃ 에서의 제벡계수 변화를 나타낸다. 도 11 에 따르면 교대층 화합물의 제벡계수는 띠 간격의 좁아짐에 따라 순수한 MQ2 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)들의 제벡계수에 비해 감소함을 알 수 있다. 이것은 교대층 혼합물의 전자구조에서 띠 간격 감소에 의한 것으로 해석된다. 하지만 교대층 화합물에서는 띠 간격이 좁아지고 페르미 부근의 전류밀도가 증가하는 것으로 보았을 때 전기전도도는 크게 증가 할 것이다.
도 12 는 순수한 MQ2 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 와 교대층 화합물 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2) 의 볼츠만 열수송 방정식 계산에 의해 얻어진 전기 전도도를 보여준다. 상기 화학식 1 의 교대층 화합물의 전기전도도가 순수한 MQ2 화합물의 전기전도도에 비해 크게 증가함을 알 수 있다. 이는 띠 간격 감소와 페르미 부근의 전류밀도 증가에 의한 것으로 이해된다.
도 13 은 MQ2 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 와 그들의 교대층 화합물 MX2/MX'2 (MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대하여 범밀도 함수 이론에 기반을 둔 볼츠만 열수송방정식 계산에 의하여 얻어진 열전성능 평가의 지표가 되는 파워팩터를 나타낸 것이다. 기존의 순수한 MQ2 물질들과 비교해 보았을 때 교대층 화합물들에서 파워팩터가 6 배 정도 증가하는 결과를 얻었다.
따라서, 교대층 화합물의 열전특성은 순수한 MQ2 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2)들의 열전 특성에 비해 많은 향상을 보일 것으로 예상되므로 좋은 열전 특성을 지닐 수 있는 전자구조로의 변형이 용이한 방안이며, MQ2 화합물 뿐만 아니라 다른 화합물들에도 적용이 가능한 유용한 방안이다. 이는 층 혼합에 의해 띠긴격이 감소하고, 페르미부근에 전류 밀도가 증가하는 영향에 의한 것으로 해석된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 화학식 1의 교대층 화합물은 범밀도 함수 계산과 볼츠만 수송 방정식 계산을 통한 열전 성능 예측에 따르면 순수한 MQ2 화합물의 열전 성능을 향상시킬 좋은 방안이며, 좋은 열전성능을 지닌 열전소재이다. 즉, MQ2 화합물들에서 선택적인 층 선택을 통한 교대층 화합물 형성은 띠 간격과 전류밀도를 최적화시킴으로써 전자 또는 홀의 수송이 원활하게 하여 전도특성을 향상시킴 으로써 전기 전도도와 파워팩터가 크고 열전도도가 매우 작은 열전소재를 만들게 된다.
상술한 바와 같은 화학식 1의 교대층 화합물은 선택적인 층 혼합에 의해 띠 간격 조절이 가능하고 전류밀도를 최적화하여 전기 전도성이 개선될 수 있으므로 높은 열전성능을 기대할 수 있다. 따라서 우수한 열전소재로서 용도를 갖게 된다.
한편, 상기 열전 소자는 전극과 결합되어, 전류 인가에 의해 냉각 효과를 나타낼 수 있는 소자 또는 온도차에 의해 발전 효과를 나타낼 수 있는 소자일 수 있다.
실시예
본 발명의 실시예를 위하여 열전소재 순수한 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WTe2) 과 교대층 화합물들(MoS2/MoTe2, WS2/WTe2)에 대한 범밀도 함수 계산을 수행 한다. 즉, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전 특성에 최적화된 열전 소재를 구현하기 위한 방법으로서, 도 14를 참고하여 그 과정을 설명하면 다음과 같다.
① MoS2, MoTe2, WS2, WSe2 화합물들에 대한 범밀도 함수 계산을 수행한다. (S100)
② MoS2, MoTe2, WS2, WSe2 화합물들에 대한 전자구조를 분석 한다. (S110)
③ 범밀도 함수 계산 결과에 기반하여 볼츠만 열수송 방정식 계산을 통하여 MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WSe2)의 열전 특성을 계산 및 분석 한다. (S120)
④ MQ2 화합물들 (MoS2, MoTe2, WS2, WSe2)에 대한 전자구조와 열전특성 분석을 통하여 열전성능 향상을 위한 교대층 화합물의 형성을 위한 대상을 선택한다. (S130)
⑤ ①부터 ④ 의 과정을 통하여 선택된 교대층 화합물인 상기 화학식 1 의 물질에 대해서 범밀도 함수 계산을 수행한 후 이들의 전자구조분석을 수행한다. (S140)
⑥ 상기 화학식 1 의 화합물에 대하여 범밀도 함수 계산 결과에 기반하여 볼츠만 열수송 방정식 계산을 통하여 열전 특성을 계산 및 분석 한다. (S150)
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (4)

  1. 층상 구조 화합물의 층 혼합이 있으며,
    하기 화학식 1의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 열전 특성에 최적화된 열전 소재.
    (화학식1)
    MQ2/MQ'2
    상기 식에서 M은 몰리브덴 또는 텅스텐이며, Q는 황, Q'는 텔루륨이다.
  2. 제1항에 있어서,
    MQ2/MQ'2에서 MQ2 층과 MQ'2 층이 교대로 배열 되어 교대층을 형성하는 것을 특징으로 하는 열전 특성에 최적화된 열전 소재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전소재가 평면 내(in-plane) 방향으로는 공유결합을 형성하며, 평면 외 방향(out of plane)으로는 층간 결합을 형성하며, 층간 결합에 의해 반데르 바알스(Van der Waals) 결합이 약화되는 것을 특징으로 하는 열전 특성에 최적화된 열전 소재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전소재가 평면 외 방향으로의 층간 결합에 의해 저차원 전도특성이 강화되는 것을 특징으로 하는 열전 특성에 최적화된 열전 소재.
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