우리 학교 물리학과 양희준 교수와 김용현 교수 공동연구팀이 지난 1일 물질 내의 전자들이 만드는 밀도 파동인 전하밀도파를 기반으로 한 미시적 열전 현상을 최초로 규명했다고 밝혔다.

열전 현상이란?

 열전 현상은 온도의 차이로부터 전위차가 발생하여 전류가 흐르게 되는 현상으로, 열전 현상으로 불리는 현상은 제벡 효과/펠티어 효과/톰슨 효과의 큰 3가지 분류가 있으나 이번 연구에서는 주로 제벡(Seebeck) 효과에 대해 다루고 있다. 제벡 효과는 온도차가 존재하는 두 영역에서, 고온의 영역에 존재하는 높은 에너지를 가진 전자가 확산되는 방식, 혹은 고온의 영역에 존재하는 포논(phonon)이 이루는 격자의 진동을 통해 열을 전달할 때 전자가 이동하면서 전류가 발생하는 현상이다.

포논(Phonon)은 무엇인가 

 포논의 정의는 ‘결정 격자의 양자화된 진동을 나타내는 준입자’이다. 이를 조금 더 간단히 설명하면, 포논은 원자와 원자 사이에 마치 용수철이 있는 것처럼 생각했을 때, 원자들이 서로 간이 진동을 공유하면서 나타나는 공명 상태에서 격자의 형태를 의미한다. 이때, 훅의 법칙에서 나타나는 용수철 상수와 마찬가지로 원자 사이의 상호작용에도 용수철 상수와 비슷한 개념의 상수가 존재하며 일반적으로 원자들이 모인 집단에서 같은 상수 값을 가지는 영역이 발생한다. 연구진은 이 영역이 기존의 electron puddle과 비슷하다는 점에서 영감을 얻어 해당 영역을 phonon puddle로 명명했다. 

 기존의 열 전달에 관한 연구는 대부분 거시적인 스케일에서 일어나는 온도•열 전달에 대한 연구였다. 하지만 연구진은 phonon puddle에 의한 열전 현상을 분석하는 과정을 통해, 원자들이 모인 전체 집단의 내부에 공명 현상이 일어날 때 진동을 공유하는 원자들의 소규모 집단이 여러 개 존재하는 점으로부터 열 전달 과정에서 미시적 부분마다 양상이 다를 수 있음을 입증했다. 이에 관한 분석 중 하나를 소개하면, 온도와 관련하여 저온의 한계치인 절대 영도는 존재하지만 고온의 이론적 한계치는 존재치 않는 이유가 있다. 이는 고온의 상황에서는 phonon puddle을 구성하는 포논의 수의 상한이 존재하지 않으나 저온의 상황에서는 약 100K(디바이 온도)를 기점으로 phonon puddle을 구성하는 포논의 수가 0~2개로 줄어들어 열 전달이 효과적으로 일어나지 않게 된다는 점에서 기인한 것이다. 

전하밀도파에 관해서

 포논에 관한 이해와 더불어, 이번 연구에서는 미시적 열전 현상이 일어나는 기반으로 전하밀도파를 제시했다. 전하밀도파는 Mott 절연체* 등에서 전자가 이동하지 못하는 상황에서 발생한다. 즉, 이동하지 못하고 쌓인 전자의 영향으로 인해, 원자가 기존의 격자 구조보다 조금 휘어진 격자의 형태로 쌓여 뒤틀린 상태로 존재하며 생성되는 일종의 흐름이다.

원자 스케일 열전 현상의 활용

 연구진은 이번 연구에서 규명한 원자 크기 수준에서의 미시적 열전 현상이 원자 스케일에서 고효율의 에너지 소자를 설계하기 위한 원천 기술이 될 수 있다고 밝혔다. 더불어, 기존에 자동차 내 간이 냉장고, 쿨러 등에 이용되던 펠티어 효과 대신 높은 효율의 열전 발전기를 개발할 수 있는 응용 기술의 초석이 될 수 있으리라고 전망했다.

학생들에게 전하는 말

 이번 연구에 제1 저자로 참여한 물리학과 김도현 박사와 양희준 교수는 연구에서 너무 학술적인 느낌보다는 자유롭게 가벼운 토론과 이야기를 통해 스스로에 대한 피드백을 얻길 바란다”고 덧붙이며, 학생들이 연구에 끈기를 가지되 자유로운 태도를 가지고 도전하는 사람이 되길 바란다고 전했다.

Mott 절연체*: 기존의 띠 이론에 따르면 도체로 분류되나, 실제로는 전류가 흐르지 않는 절연체의 성질을 지니는 물체다. 전자-전자 사이의 척력으로 인한 영향이 도체보다 강력하여 전자가 이동하지 못하므로 절연 성질을 지닌다.