금속 칼코겐 화합물의 적층 결함 분석 및 열기전력 특성연구

Abstract

낭비되는 열을 유용한 전기에너지로 전환하는 열전발전은 재생에너지 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 효율이 높은 열전 소재를 제작하기 위해서는 Seebeck 계수와 전기전도도는 크게 하고, 동시에 열전도도는 작게 하여야 한다. 본 연구에서는 두 가지 다른 구조를 가지는 층상 화합물을 혼합하여 인위적으로 stacking fault를 유도하고자 하였다. 이로 인한 구조적 무질서도의 증가가 열전도도에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다. MoSe2와 TaSe2를 혼합하여 고용체 Mo1-xTax Se2을 합성하였다. SEM을 이용하여 관찰한 결과 각각 0.1≤x≤0.3 의 시편들은 비교적 불규칙적이고 상대적으로 결정성이 좋지 않은 구조를 형성하고 있음을 관찰하였다. XRD에서는 Ta의 양(x)이 증가할수록 2-H구조에서 3-R구조로 변화하는 것을 알 수 있었으며, 두 가지 다른 층상 구조가 혼합되는 과정에서 조성의 일부 시료에서 (h 0 l)의 선폭이 크게 넓어지는 것을 확인할 수 있었다. XRD 피크의 선폭이 가장 넓은 Mo0.8.Ta0.2Se2는 2-H 구조 60%, 3-R구조 40% 비율로 적층되어 있음을DIFFaX simulation을 통해 알 수 있었다. 이러한 적층 비율에서 무질서도가 가장 증가하며, 그로 인해 열 전달이 방해됨으로써 다른 조성에 비해 열 확산계수와 열전도도가 가장 낮아진 것으로 보인다. Seebeck 계수는 Ta의 양(x)이 증가할수록 감소하였으며 x=0.6이상부터는 음의 값을 보였으며, 이것은 p-type에서 n-type으로 carrier의 성질이 바뀌는 것을 의미한다. 파워 펙터와 열 성능지수(ZT) 값은 Mo0.8Ta0.2Se2에서 최대값을 나타낸다. 이러한 방법론은 새로운 열전 재료를 설계하는데 적용할 수 있을 것이며, 이 연구에 서 사용한 DIFFaX 분석법은 여러 가지 나노 구조나 계면 구조 분석•연구에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.