일본 과학기술 진흥기구(JST) 전략적 창조 연구 추진 사업에서 오사카 대학 대학원 기초 공학 연구과의 연구팀은 극히 작은 나노 닷 결정 및 결정 방위를 모아 연결한 재료를 형성하는 기술을 개발했다. 본 기술에 따라 전기 전도율의 악화를 억제하면서 열 전도율을 거시적인 사이즈의 결정인 벌크 Si의 약 1/200까지 줄이는 데 성공해 세계 최소치를 얻었다. 

폐열 에너지를 전기 에너지로 재이용하기 위한 열전 변환 재료에는 기존에 희소 금속이거나 독성을 가지는 등 무거운 원소를 포함한 재료가 사용되어, 보다 저렴하고 환경에 부하가 적은 재료가 요구되고 있었다. 

연구팀은 나노 닷 결정과 결정 방위를 모아 연결함으로써, 높은 전기 전도도에 낮은 열 전도율이라는 열전 변환의 고성능화에 필요한 특성을 희소 금속을 사용하지 않고 실현했다. 이러한 나노 닷 구조는 기존의 방법으로는 제작 불가능했었지만, 독자적으로 개발한 나노 닷 형성 기술을 응용함으로써 전기 전도율의 악화를 적절하게 억제해 열 전도율을 벌크 Si의 약 1/200로 줄일 수 있게 되었으며, Si의 열 전도율로는 세계 최소치를 얻는데 성공했다. 

이 결과는 지구상에 흔한, 환경 친화성이 높은 유비쿼터스 원소인 Si를 이용한 고성능의 열전 변환 재료의 실현 가능성을 나타내고 있다. 뛰어난 전자 소자 재료인 Si이 높은 열전 변환 기능을 가진다면, 전자 소자 재료와 열전 변환 재료를 융합한 소자를 제작할 수 있으며, 컴퓨터와 서버에서 배출되는 폐열을 전기 에너지로 재이용할 수 있다. 이는 미래에 맞이할 센서 네트워크 사회에서 다양한 장소에 배치되는 센서 등에 편입되는 전자 소자에 대한 에너지 공급 문제 해결의 실마리가 될 것으로 생각된다. 

본 연구는, 오사카 대학 대학원 기초 공학 연구과와 도쿄 대학 등의 도움을 받아 진행되었다. 
 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』