발전소 및 기계의 동작으로 발생하는 열 에너지를 효율적으로 전기 에너지로 변환 할 수있다면, 큰 에너지 효율의 상승을 기대할 수있다. 많은 연구자가 고효율 발전이 가능한 재료의 연구를 진행했지만, MIT의 과학자들은 높은 자기장 환경에서 특정 재료에 고열을 추가함으로써, 큰 에너지를 얻을 수 있음을 발견했다.
열전 발전이라는 것은, 물체의 온도차가 직접 전력으로 변환되는 제벡 효과라는 현상을 이용해, 열을 가진 물체로부터 전력 에너지를 얻는 발전 방식이다. 물체의 단면이 고온, 반대면이 저온 상태가 되면 양면 사이에 전위차가 발생해 발전 할 수있는 이 시스템은 열을 효율적으로 전기 에너지로 변환 할 수있는 자료(열전 소자)가 필요하다. 열전 발전의 실용화가 현실성을 가지고 받아 들여지기까지 60년 동안, 전 세계의 연구자들은 효율적인 열전 변환 소자를 모색해왔다.
그러던 중, 2018년 5월 25일에 과학 잡지 Science Advances에 MIT의 연구팀이 발표 한 연구 결과에 의하면, 종래의 열전 변환 소자보다 5배나 높은 효율로 발전 할 수있는 열전 변환 소자가 발견되었다는 것.
열전 변환 소자는 2개의 다른 금속과 반도체를 접합하고, 양단에 온도차를 발생싱켜 고온 측의 전자를 저온 측으로 이동시켜, 전압을 발생시키고 있다. 대부분의 재료에서, 전자는 일정한 범위(밴드)밖에 존재 할 수 없으며, 전자가 이동할 때는 밴드 갭이라고 불리는 전자가 존재 할 수없는 영역을 뛰어넘을 필요가 있다.
MIT 연구원 인 브라이언 스키너 씨와 량 푸 씨는, 토폴로지컬 반금속이 어떤 특성을 나타낼까?라는 점에 흥미를 가져, 온도와 자기장을 변화시켜 토폴로지컬 반 금속의 열전 성능을 모델화하는 실험을 실시했다. 그러자 납, 주석 셀레늄 화합물 인 토폴로지컬 반 금속에 대한 종래의 열전 변환 소자를 크게 웃도는 열전 성능을 가지고 있음이 밝혀졌다라는 것.
납, 주석, 셀레늄으로 구성된 토폴로지컬 반 금속은 약 30 테슬라(일반적인 MRI는 약 2~3 테슬라에서 작동)라고하는 강한 자기장 환경에서 약 200도 정도로 가열하면 열전 변환 소자의 평가 단위 인 "ZT" 10이라는 높은 값을 기록했다. 지금까지 가장 효율이 좋다고 된 열전 변환 소자에서도 ZT=2정도이며, 스키너 교수는 단번에 기존의 5배의 열전 변환 효율을 가진 재료를 발견 한 것이다.
납, 주석, 셀레늄으로 구성된 토폴로지컬 반 금속은 자기장에 노출되면, 전자가 뜨거운 쪽에서 차가운쪽으로 이동하는 것 외에, "양의 전하를 가진 전자와 같은 행동을하는 정공이 차가운 측면에서 뜨거운 측면으로 이동한다. 전자와 정공의 작용에 의해 열이 전력으로 변환되므로, "원칙적으로 자기장을 강하게하는 것만으로 전압을 얻을 수 있습니다"라고 스키너씨는 말하고 있다.
불행히도 30 테슬라라고하는 매우 강한 자기장은, 특수한 실험실 등의 환경에서만 만들어 낼 수없는 데다가, 변환 효율을 유지하기 위해 토폴로지컬 반 금속은 높은 순도가 요구되는 것.
스키너 교수는 "이번 실험 한 토폴로지컬 반 금속 이외에도, 더욱 우수한 재료가 있을 가능성이 높다"고 말하고 있어, 더욱 효율이 좋은 물질이 발견 될 것이라고 한다. 또한 3 테슬라 정도의 비교적 쉽게 발생시킬 수있는 자기장 하에서 높은 열전 변환 효율을 갖게 할 수있도록 연구를 진행시켜 나갈 것이라고 연구팀은 밝혔다.
