The realization of independently controlling the electrical conductivity and the thermal conductivity has been a goal in thermoelectric field. Selectively controlling the electrical conductivity and the thermal conductivity has been one of the challenging problems because of interdependency of those properties by Widemann-Franz law. Here, we report the freestanding three-dimensional nanostructured Bismuth Antimony Telluride(3D BST) that accomplish this outcome. The thermal conductivity of 3D nanostructured BST was measured to ~ 1 W/mK at 300 K deriving from scattering of phonons with long mean free path(200 nm ~ 1 μm) resulting from its size effect. Meanwhile, the electrical conductivity and the seebeck coefficient of 3D nanostructured BST was preserved to the levels of film because electrons have short mean free path compared to its structure size. We suggest that 3D nanostructured thermoelectric materials are new and advanced way to overcome the limitation of closely related thermoelectric parameters.
열전이란 열에너지와 전기에너지의 상호변환을 의미한다. 오늘날, 에너지 자원 부족과 친환경 에너지원의 요구로 인하여 열전에 대한 수요는 급증하고 있다. 열전성능지수(ZT)는 전기전도도, 제백계수의 제곱에 비례하여 열전도도에 반비례한다. 하지만, 전기전도도와 열전도도는 Widemann-Franz 법칙으로 인해 상호 의존적이여서 열전성능을 높이는데 걸림돌로 작용하였다. 이러한 한계점을 해결하기 위해서, 전기전도도와 열전도도를 독립적으로 조절하는 방법이 필요하다. 나노구조의 도입과 함께, 포논의 자유경로행로가 전자의 것보다 길다는 사실을 이용하여 1차원 나노와이어, 2차원 나노메쉬 등의 연구들이 활발히 진행되고 있다. 하지만 위의 사례는 대면적으로 제작하기 힘들고 기계적 강도가 약하다는 단점이 있다. 이에 더 나아가, 우리는 3차원 나노구조 열전물질을 제작하여 전기전도도와, 제백계수는 박막과 비슷한 수준으로 유지하며 열전도도는 박막보다 낮아져서 열전성능을 높이는 연구를 진행하였다. 이를 위하여 근접장 나노패터닝 기술을 사용하여 3차원 구조를 제작하였고 이의 다공성 구조를 도금이라는 방식으로 채워 넣어 3차원 열전재료를 제작하였다. 이번의 연구결과로 인해, 3차원 구조의 다양한 열전물질을 제작하여 열전성능을 향상 시킬 수 있다는 가능성을 제시함에 의의가 있다.
