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화학과 유태수 교수의 에너지전환소재 연구팀이 주도한 신규 진틀계열 열전소재개발 연구결과가 미국화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 국제저명학술지인 ‘Chemistry of Materials(IF = 10.508)’ 2023년 10호의 표지 논문으로 게재됐다.

유태수 교수 연구팀은 ‘Tuning the Radius Ratio to Enhance Thermoelectric Properties in the Zintl Compounds AM2Sb2 (A = Ba, Sr; M = Zn, Cd)(Zintl 화합물 AM2Sb2 (A = Ba, Sr; M = Zn, Cd)의 열전 특성을 향상시키기 위한 원자반지름 비율 조정)’이란 주제로 논문을 발표했다.

이번 논문에서 연구된 AM2Sb2 (A = Ba, Sr; M = Zn, Cd) 시스템은 기존에 보고된 진틀상 열전소재인 BaZn2Sb2에 알칼리토금속인 Sr과 전이금속인 Cd을 도펀트로 첨가하여 열전특성을 향상시키고자 디자인된 시스템이다. 합성된 열전소재들의 복잡한 결정구조는 포항입자가속기를 활용한 X-ray 실험을 통하여 규명됐으며, 향상된 열전성능을 설명하기 위해 양자계산법 활용한 이론적 연구도 독자적으로 수행했다.

그 결과 Sr-도펀트와 Cd-도펀트 첨가로 열전소재의 제벡계수가 향상되어 열전특성이 향상되었음을 밝혀냈다. 또한 구조 내의 양이온과 음이온 구조체를 이루는 원자사이의 반지름 비율이 구조선택성에 결정적인 영향을 준다는 것도 최초로 밝혀냈다. 이러한 연구결과를 바탕으로 진틀상 열전소재에 다양한 이온치환법을 적용하여 소재의 열전특성을 향상시킬 수 있는 근본적인 방법을 밝혀냈고 AM2Sb2 시스템에서 원자사이의 반지름 비율이 구조선택성에 영향을 준다는 것을 밝혀냈다는 것이 이번 연구에서 가장 의미 있는 결과라 할 수 있겠다.

이번 연구에서 활용된 진틀계열 열전소재는 다양한 에너지원으로부터 버려지는 폐열을 전기로 전환하여 에너지를 재활용할 수 있게 해 주는 친환경 에너지 전환소재로써, 현재 전세계적으로 매우 활발한 연구가 진행되고 있는 상황이다.

이번 논문에는 화학과 유태수 교수가 연구책임자, 화학과 정지원씨(석사 졸업, 지도교수 유태수)가 제 1저자로 참여했으며, 서강대학교 옥강민교수 연구팀, 그리고 미국 Iowa State University(아이오와 주립대학)의 Miller교수와 Kovnir교수 연구팀이 국제공동연구자로 참여하였다. 이번 연구는 한국연구재단 이공분야 중견연구자지원사업과 BK21 Four 사업의 지원을 받아 수행됐다.