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(대구=NSP통신) 김을규 기자 = 경북대 이상욱 교수(사진. 공과대학 신소재공학부)팀이 금속-부도체 상전이 물질(이산화바나듐) 내에서 기존 물리법칙을 따르지 않는 열이동 현상을 발견, 연구 결과를 세계적 과학 학술지인 ‘사이언스’ 27일자(미국 동부 기준)에 발표했다.

이 연구는 경북대학교와 미국 버클리 캘리포니아주립대, 오크리지국립연구소 공동연구팀이 진행했다.

이번 연구 결과는 일반적인 금속에서 전자들이 이동할 때 열을 동반하는 것과 달리 이산화바나듐의 경우 극히 적은 열만이 동반돼 이동되는 것으로, 이는 이산화바나듐에서 전자들이 전류를 이동시키지만 열은 이동시키지 않는 것과 같은 결과를 가져온다.

이번 연구는 금속 상태인 이산화바나듐이 기존 전도체에서 단단하게 지켜지는 교과서적인 법칙으로부터 극단적으로 벗어나는 결과를 보여주어, 새로운 특이 전도체들에서의 전하 거동을 근본적으로 이해하는데 있어 매우 중요한 정보를 제공한다.

기존 연구들에서 이산화바나듐이 상전이를 할 때 전체 열전도율이 크게 변하지 않는 현상은 관찰돼 왔으나, 전자에 의한 열전도율이 어떻게 변하는지는 밝혀지지 않았다.

물질 내 같은 방향으로 진행되는 전기전도율과 열전도율은 정확히 측정하기가 어렵고, 상전이 전후의 전자에 의한 열전도율과 결정격자진동에 의한 열전도율의 변화 역시 분리해 내기 어려웠기 때문이다.

이상욱 교수 연구팀은 나노크기의 이산화바나듐 단결정 막대의 전기전도율, 열전도율, 시벡계수(제벡계수, Seebeck coefficient)의 측정값과 벌크 단결정을 이용한 X-선 산란분석, 제1원리를 이용한 시뮬레이션 결과를 토대로 전체 열전도에 기여하는 전자에 의한 열전도와 격자진동에 의한 열전도를 분리해 그 과정을 밝혔다.

연구팀은 이 과정을 통해 금속 상태의 이산화바나듐의 전자에 의한 열전도가, 대부분의 금속은 같은 온도에서 전기 전도도와 열 전도도가 비례한다는 프란츠-비데만(Wiedemann-Franz) 법칙으로 예상되는 값보다 10배 가량 낮다는 결과를 도출했다.

연구진은 “일반적인 금속 내에서는 전자들이 개개의 독립적인 입자처럼 움직인다고 여겨지지만, 어떠한 경우에는 전자들이 서로 영향을 미치며 마치 유체와 같은 형태로 일제히 움직이는 것으로 생각할 수도 있다. 열에너지는 전자들의 불규칙한 열운동에 기인하는데, 개별 입자가 자유롭게 움직이면 각각이 자유롭게 움직일 수 있는 수많은 경우의 수가 존재하지만, 이들이 어떠한 집단처럼 움직이게 되면 자유롭게 움직일 수 있는 경우의 수가 줄어들게 된다”고 말했다.

또 연구팀은 이산화바나듐에 텅스텐을 첨가(doping)할수록 일반적인 금속의 성질로 변해간다는 사실을 발견했다.

즉, 텅스텐이 도핑된 이산화바나듐은 부도체에서 금속으로 상이 순간적으로 변하면서 전기전도율이 급격히 증가함과 동시에 열전도율도 크게 증가하는 것을 확인했다.

이번 연구를 주도한 이상욱 경북대 교수는 “높은 온도에서는 열이동이 크고, 낮은 온도에서는 열이동이 낮으므로 나노 스케일에서 열의 이동을 제어할 수 있다. 이번 연구를 통해 폐열을 이용해 전기를 생산하는 열전시스템, 에너지 절감형 스마트 윈도우, 나노 전자소자의 열방출 등과 같은 다양한 열이동 활용 분야의 발전에 도움이 될 것으로 기대된다. 아직 이러한 물리적 현상이 제대로 이해되려면 많은 추가연구가 필요하지만, 이 현상의 응용에 대한 연구는 빠르게 진행될 수도 있다고 생각한다”고 밝혔다.

NSP통신/NSP TV 김을규 기자, ek8386@nspna.com
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