그는 국내로 돌아와 4년 후 “양쯔강”상을 받았고, 5년 후 “국가 우수 청년”상을 수상했으며, 연구 그룹을 만들어 10년째인데 이미 10번째 Science 논문을 발표했다고 합니다!
2014년 이후, 조 교수는 이 분야에서 탁월한 성과를 이룩했으며 특히《Nature》잡지에 발표한 SnSe 열전 재료에 대한 고성능 연구결과가 널리 관심을 불러일으켰습니다. 2016년부터 2024년까지 그는《Science》잡지에서 9편의 논문을 연속하여 발표함으로써 열전 재료 연구에 중대한 발전을 이룩시켰습니다. 조 교수의 기여는 널리 인정받았습니다: 그는 2017년 국제 열전 학회 청년 과학자상을 수상하였으며, 2018년에 장강학자 특임 교수로 선정되었으며, 2019년에는 국가 자연과학재단 우수 청년 기금을 수여받았으며, 2022년에 '과학 탐구상'을 수상했으며, 이 분야에서 존경받는 선두 주자가 되었습니다.
오늘, Peking University of Aeronautics and Astronautics 교수인 Zhao Lidong 교수가 미국 Northwestern University 의 Mercouri G. Kanatzidis 교수와 함께 출판한 논문에서, 열전학 분야의 최신 발전에 대해 개괄적으로 소개했습니다. 이 발전의 부분적인 이유는 스텐 스래드 셀레늄 발견인데, 이 좁은 갭 반도체는 열전재료의 유일한 선택은 아니지만, 10년 전 스텐 스래드 셀레늄이 높은 열전 효율을 가지고 있음이 입증되었습니다. 이 발견과 해당 화합물의 개선은 새로운 세대의 열전재료와 장비 개발에 중요한 의미를 가지고 있습니다. 이 연구 성과는 "The development and impact of tin selenide on thermoelectrics"라는 제목으로 "Science"에 발표되었으며, 제 1 저자는 Bingchao Qin입니다.
Tin selenide development and its impact on thermoelectricity
세계적인 에너지 구도의 변화는 에너지 절약 및 열 관리 분야에서 지속 가능한 에너지 기술의 발전을 가속화시켰습니다. 열전기 기술은 세벡 효과를 통해 폐열을 전기로 변환하거나 고체 냉각을 구현하여, 광범위하게 우주 탐사와 전자 장치의 열 관리에 사용되고 있습니다. 열전기 기술은 맞춤형 크기, 무소음, 정밀한 온도 제어 등의 장점을 갖고 있지만, 상대적으로 낮은 효율성으로 인해 널리 활용되는 것이 제한되고 있습니다. 최근 몇 년 동안, 나노 구조 설계, 전자 밴드 엔지니어링과 같은 새로운 전략들이 열전기 소재의 최적화를 이끌어내며, 특히 산화주석 (SnSe)이 발전과 냉각 측면에서 큰 잠재력을 보여주었으며 열전기 연구의 새로운 방향을 제시하고 있습니다.
도표 1. 고급 열전 재료의 성능
재료 기본 성능 분석
열전 재료 품질 인수 ZT의 매개변수들 간에는 복잡한 강한 결합 관계가 존재하는 데, 주로 전하 종 농도 (n), 이동도 (μ) 및 유효 질량 (m*)의 복잡한 관계에 나타납니다. 고에너지 밴드 간격 탄성은 더 많은 전하 이동 공간을 제공하여 전력 인수 (PF)를 향상시키는 데 도움이 됩니다. 이는 일반적으로 소재의 고결정 대칭성과 관련이 있습니다. 동시에, m*의 이방성도 핵심 요소인데, 큰 mxmy/mz 비율이 ZT 값을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 이는 높은 이방성 결정 및 전자 구조가 성능 향상에 매우 중요하다는 것을 의미합니다. 이러한 복잡한 전자 구조와 전하 산란 현상이 전기 특성을 결정하며, κlat은 상대적으로 독립적인 매개변수로, 열 전도를 측정하는 중요한 지표입니다. 편성-편성 산란 모델을 사용하여 κlat을 추정할 수 있으며, 이는 무거운 원자, 복잡한 결정 구조 및 강한 비선형성이 κlat을 감소시키는 데 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냅니다. 이러한 이론적 분석은 열전 재료 설계를 최적화하는 데 소중한 지침을 제공하여, 전기 특성과 열 전도를 동시에 고려하여 ZT 값을 더 높일 수 있어, 열전기 장치의 효율을 향상시킬 수 있게 합니다.
고유 저열 전도율: 강한 비선형성 및 이상
최근 몇 년간 내재로 내열도(κ)가 낮은 열전 재료 연구가 열전 효율을 향상시키는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 다양한 재료가 큰 잠재력을 보이고 있으며, Cu2Se, BiCuSeO, SnSe 등이 포함됩니다. 그 중 SnSe는 복잡한 결정 구조와 등방성을 가지고 관심을 끌고 있는데, 넓은 밴드 갭과 낮은 전자 수농도로 인해 초기 연구에서 예상되었던 열전 특성이 제한되었습니다. 처음에는 SnSe가 열전 재료에 이상적인 후보가 아니라고 여겨졌지만 실험에서 그 κ 값이 예상보다 훨씬 낮다는 것이 발견되어, 이것은 SnSe가 열전 재료 중에서의 전환점을 표시했습니다. SnSe 결정의 성장에 도전이 있음에도 불구하고, 혁신적인 이중관법을 통해 저자는 이 난제를 극복하고 대규모 고품질 단결정을 성공적으로 제조했습니다. 추가 연구 결과에 따르면, SnSe의 초저κ는 강한 비선형성, 소프트 편진 모드 및 혼자 전자 효과 때문에, 이러한 특성들이 열전 분야에서 큰 이점을 제공합니다. SnSe 결정의 널리 사용되는 만큼, 새로운 결정 성장 기술과 산화 문제 해결이 주요 연구 과제가 되었습니다. 다결정 SnSe 공정을 개선함으로써, 연구자들은 단결정보다 높은 열전 효율을 얻었습니다. 또한 SnSe의 낮은 κ 발견은 다른 저κ 재료 개발을 촉진시키며, 미래에는 음자 엔지니어링, 나노구조 디자인 등을 활용하여 새로운 효율적인 열전 재료의 출현이 가속화될 수 있습니다. 이론 계산 및 인공지능 등의 기술이 도입되면서, 열전 재료의 신속한 선별과 최적화가 더욱 강화될 것입니다.
그림 2. 비선형성과 고유 열전도율
이해하고 복잡한 전자 구조를 통제합니다.
전자 밴드 엔지니어링은 열전도 성능을 향상시키는 핵심 방법으로, 유효질량과 쎠베크 계수 (S)를 조절하여 이루어집니다. 이는 페르미 에너지 수준 근처에서 공명 상태를 도입하여 상태 밀도를 왜곡하고 S를 증폭시킴으로써 이루어질 수 있으며, 예를 들어 Tl 첨가된 PbTe에서 확인되었고 다른 시스템에도 널리 적용되고 있습니다. 높은 S를 얻기 위해서는 큰 DOS 유효질량 (md*)이 필요하며, 캐리어 이동도 (μ)는 단일 밴드 유효질량 (mb*)과 관련이 있습니다. 또한, 밴드 갭 (Eg)은 S와 mb*에 영향을 주며, Eg를 최적화하여 소수의 캐리어의 열적자극을 조정하고, 이중극성 열전도가 ZT에 미치는 부작용을 줄일 수 있습니다. 밴드의 비중성도 중요한 요소로, 밴드 수렴을 통해 큰 Nv를 달성하여 전기 전달 성능을 향상시킬 수 있으며, PbTe와 다른 재료에서 실현되었습니다. SnSe와 같은 복잡한 구조의 경우, 여러 개의 왈럿 밴드를 활성화하여 고성능을 달성하는 것이 가능하며, 추가 연구에서 전자 구조 내의 다곡수 운송이 열전도 성능 향상에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 다밴드 통합 및 밴드 엔지니어링을 결합하여 다양한 시스템에서 전기 전달 및 열전도 성능이 향상되었으며, SnSe 및 SnS를 포함합니다. 이러한 연구는 열전도 재료를 최적화하는 데 복잡한 전자 구조 및 격자 엔지니어링의 중요성을 드러내었습니다.
PF를 강화하기 위한 복잡한 전자 구조를 의미합니다.
3차원 전하 및 2차원 소자 전달
SnSe의 우수한 열전 속성으로 인해 그의 비등방성 특성에 대한 관심이 증가했습니다. 제일원리 계산은 n 타입 SnSe의 면 외 방향 성능이 더 우수할 수 있다고 예측하며, Sn과 Se 원자 사이의 반대 키 결합 행동으로 인해 전자 층 간 전달이 촉진되는 것으로 알려져 있습니다. n 타입 SnSe의 초기 실험은 Bi 도핑된 결정이 최대 2.2의 ZTmax를 달성했음을 보여주었지만, 3D 전하와 2D 소자(3D/2D) 전달의 발견(그림 4A)이 연구 방향을 바꾸었습니다. 3D 전하 전달은 면 외 성능을 개선하는 추가적인 경로를 제공하는 층 간 전자 전달을 통해 이루어지며, 2D 소자 전달은 κlat를 낮춥니다(그림 4B). Br 도핑을 통해 높은 면 외 ZT 값을 달성했습니다(파란색 선, 그림 4B). 성능을 향상시키기 위해 변형 전위 조절 전략을 개발했으며, 소자-전자 결합을 낮추어 μ를 향상시키고 κlat를 줄입니다(빨간색 선, 그림 4B). 이 방법은 n 타입 SnS와 PbSnS2 등의 물질에서도 잠재력을 보여주지만, 면 외 성능의 실제 응용은 여전히 기계 강도 및 가공성 등의 도전에 직면하고 있습니다.
그림 4. 고평면외 성능을 얻기 위한 3D/2D 전송 및 DPM 전략
나노 스케일부터 원자 스케일까지 미시 구조 구축
미세 구조는 열전송에 큰 영향을 미치며, 나노 구조 디자인은 경계, 인터페이스 및 층 구조(그림 5A)를 구축하여 소리 전달을 억제하고 열 전도율을 낮추고 전기 전달을 최적화합니다. 자성 나노 복합재료는 자기 전기 효과 및 소리 산란을 통해 성능을 향상시킬 수 있습니다. 연구는 또한 결함 조정(예: 이공, 채움, 원자 치환)을 통해 물리적 매개 변수(그림 5B)를 최적화합니다. 예를 들어, 구리 이설화물은 구리 이온 이동을 억제하기 위해 원자 치환을 통해 ZT 값을 현저히 향상시켰고 안정성을 향상시켰습니다. 엔트로피 공학은 다양한 요소를 도입하여 격자 구조를 제어함으로써 열전 효율을 향상시킵니다(그림 5C). 그러나 결함의 존재는 소리와 정전자를 모두 산란시키므로, 결함을 제거하는 것은 정전자 전달을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 그리드 디자인 및 격자 평탄화(그림 5D) 전략을 통해 고유 결함을 제거함으로써 p형 SnSe 및 PbTe 등 재료의 성능이 현저히 향상되어 더 높은 열전 효율을 실현하였습니다.
그림 5. 열전 연구용 미세 구조 설계
Equipment design: 다차원 구조
열전 기술의 성공은 재료 최적화와 장치 설계에 의존합니다 (도 6). 현재 SnSe를 기반으로 하는 열전장치에는 3D 블록, 2D 유연 및 1D 섬유 장치가 포함되며, 특히 p형태의 SnSe와 상용 n형태 재료의 결합은 우수한 성능을 나타냅니다. 그러나 n형태 SnSe의 개발이 느리고 층간 약한 결합이 장치의 추가 최적화를 방해합니다. 인터페이스 설계도 SnSe 장치 효율을 제한하는 핵심 요소이며, 현재 있는 인터페이스 엔지니어링 방법은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸립니다. 2D 유연 장치 및 1D 섬유 재료의 응용은 차세대 웨어러블 기기에 널리 관심을 끌고 있습니다. SnSe의 이러한 분야에서의 연구는 아직 상대적으로 부족하지만, 그 우수한 열전 특성은 발전 가능성을 제공합니다.
다차원 구조 열전소자입니다.
열전이의 영향을 초월하다
다학제 접근법은 첨단 기술의 돌파구를 제공하며, SnSe는 다양한 분야의 응용 잠재력을 보여주며, 다기능 재료 개발의 중요성을 강조합니다. 현재의 연구는 네 가지 측면으로 분류할 수 있습니다. 첫째, 광전기 기술은 열전기와 광전자학을 결합하여 광전 탐지기, 태양열 전지 등에 활용되며, 빠르게 발전하는 응용 전망을 보여줍니다. 둘째, 열전위 촉매는 수소 제조, 환경 보호 등 다양한 분야에서 우수한 성능을 보여주며, 작은 온도 차이로 화학 반응을 구동합니다. 셋째, 자기열전 효과는 회전 유발 효과와 결합되어, 특히 저온 냉각 및 자기열발전 분야에서 잠재력을 가지고 있습니다. 마지막으로, 생체 의학 열전기 기술은 의료 냉각 요법, 생체 센서 및 이식 장치에 적용되어, 장치의 생물학적 호환성과 지속 가능성 연구를 촉진합니다.
"요약"
지난 10년 동안, 열전 분야에서는 중요한 발전을 이루었으며, 특히 스텐타나이트 등의 물질 개발과 밀접한 관련이 있습니다. SnSe는 우수한 열전 특성으로 주목을 받으며, 강한 비선형성, 복잡한 전자 밴드, 3D/2D 전도 특성을 갖추고 발전 및 고체 냉각 분야에서 거대한 잠재력을 보여줍니다. 그러나 높은 온도 특성이 우수하더라도 SnSe의 실제 적용은 여전히 많은 어려움에 직면하고 있습니다. 이러한 문제들에는 기계 강도 부족, 복잡한 가공 공정, 고온 상변화로 인한 안정성 문제, 그리고 장치 효율과 안정성에 대한 인터페이스 설계의 영향이 포함됩니다. 미래 연구는 전자 구조 최적화, 상변화 온도 조절, 기계적 성능 향상 등을 통해 이러한 문제를 해결할 필요가 있습니다. 또한, 다차원 장치 개발, 나노실버 소결 등 기술의 진보는 SnSe의 응용 잠재력을 크게 향상시킬 수 있으며, 특히 웨어러블, 통합 및 마이크로 전자 분야에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 빛 전자, 토포로직 절연체 등 신진 분야에서 SnSe의 탐구는 다학제적 응용 전망을 보여줍니다. 종합적으로 보면, 열전 재료의 혁명적 발전은 미래 에너지 기술과 다기능 재료의 개발에 새로운 기회를 제공했습니다.