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Nikkei X-TECH_2020.5.8

도쿄대, 저가에 고효율 열전 발전용 재료 발견
1회용 열류 센서도 가능

도쿄대학과 가나자와대학, 도호쿠대학, 이화학연구소(RIKEN)는 20년 4월 28일, 철을 포함한 합금 Fe₃Al와 Fe₃Ga가 철보다도 10배 이상 큰 자기 열전 효과(이상 네른스트 효과)를 얻을 수 있다고 발표했다. Fe나 Al과 같은 재료는 가격이 싸고 자원이 풍부하기 때문에 1회용의 박막형 열류 센서나 본 재료를 사용한 발전 소자를 이용한 IoT 디바이스 등에의 응용을 기대할 수 있다.

자성체의 이상 네른스트 효과는 기존 기술의 제베크 효과와 달리, 온도차에 대해 수직 방향의 캐리어 이동으로 발전하기 때문에 입체 구조가 불필요하며 대면적에 무접합 모듈 구조를 실현할 수 있다는 특징이 있다. 또한 성능을 떨어뜨리는 펠티에 열(Peltier Heat)이 발생하지 않아 효율적인 발전이 가능하다.

연구그룹에 따르면 철에 알루미늄이나 갈륨을 25% 첨가한 Fe₃Al와 Fe₃Ga의 벌크(bulk)는 철보다도 상당히 큰 이상 네른스트 효과를 보이며, 특히 Fe₃Ga는 온실에서 철의 약 20배의 고효율로 발전할 수 있었다고 한다. 이들 재료는 100℃부터 -100℃까지의 폭넓은 온도 영역에서 고성능을 유지하며 내구성이나 내열성에도 뛰어나다.

연구그룹은 또한 두께 수십 나노미터의 Fe₃Al와 Fe₃Ga의 박막 제작에도 성공했다. 박막화돼도 고성능을 유지하며, Fe₃Ga 박막의 이상 네른스트 효과는 온실에서 철의 약 13배였다. 이는 제로 자장에서, 박막 재료로서는 세계 최고의 이상 네른스트 효과라고 한다.

또한 거대한 이상 네른스트 효과는 Nodal Web 구조라는 새로운 타입의 밴드 구조에 유래하고 있다는 것을 알았다. 이상 네른스트 효과의 증가에는 베리 곡률과 상태 밀도를 동시에 크게 만드는 밴드가 필요한데, 이 밴드 구조는 그 조건을 충족했다. 이 구조의 발견은 향후 재료 개발에 중요한 지식이 될 것이다.

본 연구의 재료 탐색은 주로 도호쿠대학이 고속자동계산(하이스루풋 계산)을 이용한 후보 물질의 스크리닝 작업을 했다. 지금까지 제1원리계산에 의한 하이스루풋 계산은 에너지나 밴드 갭과 같은 비교적 단순한 물리량이 주 대상이었다. 그러나 이번에는 이상 네른스트 효과라는 복잡한 물리량을 산출하는 방법을 확립했다. 이 방법을 자성체 데이터베이스에 적용함으로써 1,400개 이상의 재료의 이론값을 데이터베이스화했다. 그리고 후보가 되는 물질을 추출한 후에 재료 제작과 실험을 실시했다. 이 방법은 다양한 물질량 계산의 하이스루풋화를 가능하게 하는 기술로 적용 범위가 확대될 것으로 기대된다.

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