[한국기술뉴스] 중앙대학교 자연과학대학 물리학과 이상권 교수 연구팀이 새로운 물리현상인 제벡효과(Seebeck effect)를 발견해 이를 계면유도 제백효과(interface-induce Seebeck effect)로 명명했다. 

이 교수 연구팀이 관측한 물리현상은 기존 제벡효과와는 전혀 다른 새롭고 독립적으로 계산이 되는 비정상 제벡효과다. 세계 최초로 이를 실험적으로 확인한 이 교수팀은 이번 연구 성과를 피인용도(IF, Impact Factor) 17.521을 기록한 재료과학 분야의 세계적 저명 학술지 Advanced Science 11월 10일자 온라인판에 게재했다. 

이 교수팀은 대면적으로 성장한 platinum diselenide(PtSe2) 박막층(3-nm 두께)을 습식전사방식(wet-transfer method)으로 적층했다. 온도 구배가 발생하면 이 과정에서 자연스럽게 형성된 계면(interface)을 통해 캐리어들이 계면 아래의 박막층에서 윗층 박막층으로 이동하는 운동량 전달(momentum transfer)이 발생하고 캐리어의 유효질량(effective mass)이 증가한다. 이 교수팀은 이 과정에서 캐리어 이동도(mobility)와 전기전도도(electrical conductivity)가 감소해 궁극적으로 제벡계수가 증가하는 새로운 물리현상을 관측했다. 

이 교수팀에 따르면, 계면특성은 다결정(polycrystalline) 구조를 갖는 PtSe2 박막들이 서로 계면을 마주하는 과정에서 형성되며, 추가로 층층이 쌓이는 과정에서 발생하는 Pt 와 Se의 vacancies들에 의해 형성된다고 한다. 

이번 연구는 물리적으로 적층된 구조에서의 포텐션 차이가 적층되지 않는 단일층 물질과 같다는 기존 병렬 전도 모델(parallel conduction model과 Mott 모델로는 설명할 수 없는 새로운 형태의 제벡계수를 발견했다는 데 의미가 있다. 이들을 활용해 2차원 열전물질의 파워지수(power factor)와 성능지수(figure-of-merit)를 향상시킬 수 있는 우수한 연구결과다. 현재 해당 기술은 미국특허를 신청해 심사 중이다. 

이번 연구는 같은 연구실에서 올해 출판된 ACS Nano 2022, 16, 3404(IF 18.027)의 후속연구로 새로운 물리현상을 실험적·이론적으로 규명한 것이기에 의미가 크다. 

이번 연구는 이상권 교수와 이원용 박사, 강민성 연구원, 김길성 박사, 박노원 박사, 최재원 박사과정생, 김윤호 박사과정생, 김시후 석사과정생이 속한 양자수송현상연구팀과 같은 학과 윤영귀 교수 연구팀, 일본 도쿄대 응용물리학과의 Eiji Saitoh 교수 그룹과 공동으로 진행한 것이다. 삼성전자에서 지원하는 미래기술육성사업을 지원받아 수행한 대표적인 연구결과이기도 하다.

연구를 주도한 이상권 교수는 현재 물리학과에서 주관하는 한국연구재단의 선도연구센터 (SRC)에 참여하고 있다. 또한, 중견연구자과제와 2020년 선정된 삼성전자 미래기술육성사업의 연구책임자로 연구를 수행하는 중이다. 물리학과 BK21 FOUR사업의 사업팀장을 맡아 4차 산업혁명 시대를 대비한 유연한 사고력과 창의적이고 자기주도적인 물리분야 연구력, 실용성을 갖춘 통합적인 사고를 하는 ‘신인재’ 양성도 하고 있다. 

이상권 교수는 “이번 연구를 통해 2차원 물질에 관한 열전-수송연구(thermoelectric transport)에 대한 연구가 활발하게 진행될 것으로 기대한다”며 “이들을 통해 우수한 열전성능을 갖는 2차원 기반으로 반도체 칩에서 작은 영역의 방열이 가능한 thermal rectifier 소자에 관한 연구를 진행할 예정”이라고 했다.