NaxCoO2의 고온 결함 구조

Abstract

열전재료의 고온안정성 문제를 해결하기 위해 산화물계 열전재료의 개발이 꾸준히 요구되어 왔으나, 열전성능 면에서 기존의 금속간화합물 재료에 비할 만한 수준의 것은 오랫동안 발견되지 않았다. 1997년 NaxCoO2 물질계의 재발견과 함께 비로소 산화물계 열전재료에 대한 개발이 가속화되었으나, 현재에 이르기까지 본 물질계에 대한 결함화학적인 분석은 미진한 실정이며, 이에 따라 고온 평형 물성, 특히 고온 물질, 전하 이동 특성에 대한 이해도는 부족한 상태이며, 이는 본 물질계의 물성 예측 및 그에 기반한 물성 설계 면에서 약점이다. 이에 따라 본 연구에서는 NaxCoO2 물질계의 고온결함구조 분석을 통해 이러한 고온 물성에 대한 이해도를 넓혀 가고자 한다. 이를 위해 현재까지 NaxCoO2 물질계에 대해 알려진 정보들을 종합하여 예상되는 이상 결함구조를 제시한 뒤, 결함구조에 의존하는 특성들인 산소 부정비량, 전기전도도, 열기전력을 측정하여 이상 결함구조와 비교하여 차이점을 파악하고, 그 원인을 분석하여 이상 결함구조에 비이상 성분을 추가하여 수정하는 방식으로 새로운 결함구조를 제시하였다. 그 결과, NaxCoO2 물질계에 내의 고농도의 홀에 의한 degeneracy 효과를 고려한 비이상 결함구조가 산소 부정비량, 전기전도도, 열기전력 실험 결과를 일관되게 설명할 수 있음을 알 수 있었고, 나아가서는 유사한 layered cobaltate 구조를 가지는 (Ca2CoO3)0.62(CoO2)에서도 동일한 비이상 결함구조로 산소 부정비량과 열기전력을 해석할 수 있었다.