UNIST 신소재공학부 유정우 교수팀은 스핀 열전 발전에 쓰이는 '분자기반 자기절연체'를 개발했습니다. 이 자기절연체는 스핀파(spin wave)를 생성하는 특성이 뛰어날 뿐만 아니라 상온에서 합성이 가능해 기존 산화물 기반 자기절연체를 대체할 기술로 주목받고 있습니다. 이번 연구 결과는 'Nature Communications'에 게재됐습니다.
상온에서 합성 가능한 분자자성체
스핀 열전은 열을(온도차) 전기에너지로 바꾸는 차세대 발전 기술 중 하나입니다. 매개로 스핀류(spin current)를 이용합니다. 자기절연체 내부 온도차에 때문에 발생한 스핀류가 도체로 이동해 전류를 발생시키는 원리입니다. 일반 열전소자는 충분한 전류를 얻기 위해서 소자 두께가 두꺼워지지만 스핀 열전소자는 나노미터 수준의 얇고 넓은 평판 형태로 제작 가능합니다. 또 열은 잘 통하지 않으면서도 전기는 잘 통하는 소자 제조가 가능해 열을 전기로 바꾸는 효율이 높은 것도 장점입니다.
- 스핀류
스핀 전류, 전자(electron)의 전류(current)에 대응되는 개념입니다. 스핀파에 의해 생깁니다.
- 열전변환효율
열에너지(온도차)를 전기에너지로 변환하는 효율입니다. 열전변환효율은 열전소재의 전기전도도에 비례하며 열전도도에는 반비례합니다. 일반적인 열전소재는 열전전도와 전기전도도가 모두 높거나, 모두 낮은 특성이 있습니다.
하지만 현재 스핀 열전소자 재료로 연구되는 산화물 자성절연체는 전자 기기 등을 손상시키는 고온 합성 공정이 필수적이며, 제조 과정에서 고온을 견디는 기판이 필요한 한계가 있습니다.
연구팀이 개발한 ‘분자기반 자기절연체’는 상온 합성이 가능해 각종 전자기기, 의류, 가전제품에 부착하는 얇고 유연한 형태의 열전소자를 만들 수 있습니다. 또 기존 산화물 절연체보다 박막의 스핀류 생성과 스핀류 주입 능력이 우수해 발전 효율이 높습니다. 자성절연체에서 스핀류가 많이 만들어지고 손실 없이 도체로 주입돼 결국엔 많은 전류량을 얻게되는 겁니다. 제 1저자인 오인선 UNIST 박사 후 연구원은 "분자기반 자기절연체-도체 이중층 합성시 스핀류 주입을 막는 계면 결함을 최소화 할 수 있게 디자인했다"고 설명했습니다.
연구팀은 온도별 스핀류 특성을 분석해 개발된 분자기반 자기절연체가 우수한 스핀류 생성 능력과 스핀류 주입 효과가 있음을 입증했습니다. 분석에는 한국기초과학지원연구원(KBSI)에서 자체 개발한 저온 FMR-ISHE 측정 기기가 활용됐습니다.
- 반강자성(Antiferromagnet)
전자의 스핀이 인접한 스핀과 균일하게 반대로 정렬하여 순 자성이 없는 상태를 말합니다. 일반적으로 반강자성 물질은 저온에서 반강자성을 보이며, 특정온도 위에서 특성이 사라지며 무질서하게 됩니다.
강자성공명(Ferromagnetic Resonance, FMR)
강자성체가 매우 큰 정자기장(static magnetic field)과 이에 수직한 마이크로파(microwave) 사이에 위치할 때, 정자기장에 의해 세차운동을 하는 전자스핀의 세차진동수와 마이크로파의 진동수가 서로 일치할 때 발생하는 공명현상입니다.
스핀트로닉스 (spintronics)
전자의 전하와 스핀의 자유도를 함께 고려해 기존의 전자소자의 한계점을 개선하고자 하는 차세대 전자공학을 말합니다.
한편, 이번에 개발된 물질은 스핀 열전발전 뿐만 아니라 신개념 전자공학인 스핀트로닉스 분야에 활용될 수 있습니다. 반강자성 특성과 강자성 특성을 동시에 띄는 준강자성을 갖고 있어 스핀 수송 속도가 빠르기 때문입니다.
유 교수는 "고온 공정 때문에 산화물 자기절연체를 쓸 수 없었던 스핀 열전, 차세대 자성 메모리 소자 개발 등에 쓰일 수 있는 원천 기술을 개발한 데 큰 의미가 있다"고 설명했습니다.
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