UNIST (총장 이용훈) 신소재공학부 유정우 교수팀은 스핀 열전 발전에 쓰이는 ‘분자기반 자기절연체’를 개발했다. 이 자기절연체는 스핀파(spin wave)를 생성하는 특성이 뛰어날 뿐만 아니라 상온에서 합성이 가능해 기존 산화물 기반 자기절연체를 대체할 기술로 주목받고 있다. 이번 연구 결과는 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 16일자로 게재됐다.
스핀 열전은 열을(온도차) 전기에너지로 바꾸는 차세대 발전 기술 중 하나이다. 매개로 스핀류(spin current)를 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.
그림1. 절연체 합성법(좌측)과 소자 구조(중앙) 및 특성(우측)
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.
제1저자인 오인선 UNIST 박사 후 연구원은 “분자기반 자기절연체-도체 이중층 합성시 스핀류 주입을 막는 계면 결함을 최소화 할 수 있게 디자인 했다”고 설명했다.
연구팀은 온도별 스핀류 특성을 분석해 개발된 분자기반 자기절연체가 우수한 스핀류 생성 능력과 스핀류 주입 효과가 있음을 입증했다. 분석에는 한국기초과학지원연구원(KBSI)에서 자체 개발한 저온 FMR-ISHE 측정 기기가 활용됐다.
그림2. 분자기반자성체의 스핀수송 특성
한편, 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.
유 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 연구에는 UNIST 신소재공학과 출신 박정민 박사(KBSI 소속)와 UNIST 서준기 교수와 KIST 소속 민병철 박사, UNIST 신소재공학과 출신 단국대 진미진 교수가 함께 참여했다. 연구지원은 한국연구재단 나노·소재기술개발사업의 지원을 받은 EE-MAP(에너지·환경소재 측정분석 플랫폼 개발) 연구단 과제 등을 통해 이뤄졌다.
