이번 연구 결과는 일반적인 금속에서 전자들이 이동할 때 열을 동반하는 것과 달리 이산화바나듐의 경우 극히 적은 열만이 동반해 이동되는 것으로 이산화바나듐에서 전자들이 전류를 이동시키지만 열은 이동시키지 않는 것과 같은 결과를 가져온다.
특히 금속 상태인 이산화바나듐이 기존 전도체에서 단단하게 지켜지는 교과서적인 법칙으로부터 극단적으로 벗어나는 결과를 보여줘 새로운 특이 전도체들에서의 전하 거동을 근본적으로 이해하는 데 있어 매우 중요한 정보를 제공한다.
기존 연구들에서 이산화바나듐이 상전이를 할 때 전체 열전도율이 크게 변하지 않는 현상은 관찰됐으나, 전자에 의한 열전도율이 어떻게 변하는지는 밝혀지지 않았다.
그 이유는 물질 내 같은 방향으로 진행되는 전기전도율과 열전도율은 정확히 측정하기가 어렵고, 상전이 전후의 전자에 의한 열전도율과 결정격자진동에 의한 열전도율의 변화 역시 분리해 내기 어려웠기 때문이다. 이 교수팀은 나노크기의 이산화바나듐 단결정 막대의 전기전도율, 열전도율, 시벡계수(제벡계수, Seebeck coefficient)의 측정값과 벌크 단결정을 이용한 X-선 산란분석, 제1원리를 이용한 시뮬레이션 결과를 토대로 전체 열전도에 기여하는 전자에 의한 열전도와 격자진동에 의한 열전도를 분리해 그 과정을 밝혔다.
연구팀은 이 과정을 통해 금속 상태의 이산화바나듐의 전자에 의한 열전도가, 대부분의 금속은 같은 온도에서 전기 전도도와 열 전도도가 비례한다는 프란츠-비데만(Wiedemann-Franz) 법칙으로 예상되는 값보다 10배가량 낮다는 결과를 도출했다.
이상욱 경북대 교수는 “높은 온도에서는 열이동이 크고, 낮은 온도에서는 열이동이 낮으므로 나노 스케일에서 열의 이동을 제어할 수 있다”며 “이번 연구를 통해 폐열을 이용해 전기를 생산하는 열전시스템, 에너지 절감형 스마트 윈도우, 나노 전자소자의 열방출 등과 같은 다양한 열이동 활용 분야의 발전에 도움이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
/심상선기자
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