전자기기·옷에 붙이는 '스핀 열전소자' 나온다

- UNIST 유정우 교수팀, 스핀파 매개 열전 발전기용 신소재 개발

유정우(오른쪽 아래) UNIST 신소재공학부 교수 연구팀. [UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 전자기기와 옷에 부착하는 얇고 유연한 형태의 열전소자를 만들 수 있는 신소재가 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 유정우 교수팀은 스핀 열전 발전에 쓰이는 ‘분자기반 자기절연체’를 개발했다고 22일 밝혔다. 이 자기절연체는 스핀파(spin wave)를 생성하는 특성이 뛰어날 뿐만 아니라 상온에서 합성이 가능해 기존 산화물 기반 자기절연체를 대체할 기술로 주목받고 있다.

스핀 열전은 열을(온도차) 전기에너지로 바꾸는 차세대 발전 기술 중 하나다. 매개로 스핀류를 이용한다. 자기절연체 내부 온도차에 때문에 발생한 스핀류가 도체로 이동해 전류를 발생시키는 원리다. 일반 열전소자는 충분한 전류를 얻기 위해서 소자 두께가 두꺼워지지만 스핀 열전소자는 나노미터 수준의 얇고 넓은 평판 형태로 제작 가능하다. 또 열은 잘 통하지 않으면서도 전기는 잘 통하는 소자 제조가 가능해 열을 전기로 바꾸는 효율이 높은 것도 장점이다.

하지만 현재 스핀 열전소자 재료로 연구되는 산화물 자성절연체는 전자 기기 등을 손상시키는 고온 합성 공정이 필수적이며, 제조 과정에서 고온을 견디는 기판이 필요한 한계가 있다.

연구팀이 개발한 ‘분자기반 자기절연체’는 상온 합성이 가능해 각종 전자기기, 의류, 가전제품에 부착하는 얇고 유연한 형태의 열전소자를 만들 수 있다. 또 기존 산화물 절연체보다 박막의 스핀류 생성과 스핀류 주입 능력이 우수해 발전 효율이 높다. 자성절연체에서 스핀류가 많이 만들어지고 손실 없이 도체로 주입되어 결국엔 많은 전류량을 얻게되는 것이다.

연구팀은 온도별 스핀류 특성을 분석해 개발된 분자기반 자기절연체가 우수한 스핀류 생성 능력과 스핀류 주입 효과가 있음을 입증했다. 분석에는 한국기초과학지원연구원에서 자체 개발한 저온 FMR-ISHE 측정 기기가 활용됐다.

분자기반자성체의 스핀수송 특성 (a) 강자성공명(FMR) 측정을 나타낸 모식도 (b) 마이크로파의 주파수에 따른 공명현상 관측을 나타낸 그래프. (c) 공명현상에 따른 스핀주입으로 인해 역스핀홀 효과가 일어나는 것을 나타낸 그림과 (d) 그에 따른 전압을 측정한 그래프. 자성박막의 두께에 따른 역스핀홀 전압과, 마이크로파의 주파수에 따른 공명 신호의 반치폭 및 공명자기장을 통해 댐핑상수와 스핀믹싱상수를 측정할 수 있다.[UNIST 제공]

이번에 개발된 물질은 스핀 열전발전 뿐만 아니라 신개념 전자공학인 스핀트로닉스 분야에 활용될 수 있다. 반강자성 특성과 강자성 특성을 동시에 띄는 준강자성을 갖고 있어 스핀 수송 속도가 빠르기 때문이다.

유정우 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 설명했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 2월 16일자로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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