열전 재료

제백 효과는 열전 효과의 한 종류로, 두 개의 서로 다른 도체나 반도체를 접합하여 그 양 끝에 온도 차이를 주었을 때 기전력이 발생하는 현상을 말한다. 이 효과는 1821년 독일의 물리학자 토마스 제백에 의해 발견되었으며, 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 원리로 활용된다. 즉, 폐열과 같은 온도 차이가 존재하는 환경에서 전기를 생산하는 열전 발전의 핵심 작동 원리가 된다.

제백 효과에서 발생하는 기전력의 크기는 사용된 두 재료의 고유한 제백 계수의 차이와 양 접점 사이의 온도 차이에 비례한다. 따라서 발전 효율을 높이기 위해서는 제백 계수의 차이가 크고, 전기 전도도는 높으면서 열전도도는 낮은 열전 재료 쌍을 선택하는 것이 중요하다. 이 효과는 매우 안정적이고 신뢰성이 높아, 위성이나 탐사선의 원자력 전지(방사성 동위원소 열전 발전기)와 같이 유지보수가 어려운 장기 운용 장치의 전원으로 널리 사용되어 왔다.

또한 제백 효과는 열전대라고 불리는 온도 센서의 작동 원리이기도 하다. 서로 다른 두 금속을 접합한 열전대는 접합부와 기준 접점 사이의 온도 차이에 비례하는 전압을 생성하는데, 이를 측정하여 온도를 매우 정밀하게 감지할 수 있다. 이는 산업용 로나 실험 장비에서 고온을 측정하는 데 필수적으로 사용된다. 이처럼 제백 효과는 에너지 변환과 정밀 측정이라는 두 가지 중요한 분야에서 광범위하게 응용되고 있다.

펠티에 효과는 열전 효과의 한 종류로, 두 종류의 서로 다른 도체 또는 반도체를 접합하여 전류를 흘려주었을 때 접합부에서 열의 흡수 또는 방출이 일어나는 현상을 가리킨다. 이 효과는 1834년 프랑스의 물리학자 장 샤를 아타나스 펠티에에 의해 발견되었다. 전류가 한 방향으로 흐를 때는 접합부에서 열이 흡수되어 냉각이 일어나고, 전류의 방향을 반대로 바꾸면 접합부에서 열이 방출되어 가열이 일어난다. 이는 전하 운반자인 전자와 정공이 접합부를 통과하며 퍼텐셜 에너지의 차이를 열의 형태로 방출하거나 흡수하기 때문이다.

펠티에 효과는 제벡 효과와 서로 역의 관계에 있으며, 이 두 효과는 열전 현상의 기본을 이룬다. 펠티에 효과를 이용한 가장 대표적인 응용 분야는 펠티에 냉각기 또는 열전 냉각 모듈이다. 이 장치는 팬이나 압축기와 같은 움직이는 부품 없이 전류만으로 정밀한 냉각이 가능하다는 장점이 있다. 따라서 소형 전자 장치의 국부 냉각, 정밀 측정 장비, 또는 자동차의 음료 냉각기 등 다양한 분야에서 활용된다.

펠티에 효과의 효율은 재료의 펠티에 계수에 의해 결정되며, 이 계수는 재료의 제벡 계수와 전기 전도도에 비례한다. 효과적인 열전 냉각을 위해서는 높은 제벡 계수와 전기 전도도를 가지면서 동시에 열전도도는 낮은 재료가 필요하다. 이러한 특성을 최적화하는 것은 열전 재료 연구의 핵심 과제 중 하나이다.

톰슨 효과는 제벡 효과와 펠티에 효과와 함께 열전 효과를 구성하는 세 가지 기본 현상 중 하나이다. 이 효과는 단일 도체나 반도체 내부에 온도 구배가 존재할 때, 그 온도 구배를 따라 추가적인 열의 흡수 또는 방출이 발생하는 현상을 가리킨다. 이는 열전 재료의 성능을 평가할 때 고려해야 할 요소 중 하나이다.

톰슨 효과는 제벡 효과와 펠티에 효과와 달리 하나의 균질한 물질 내에서 발생한다는 특징이 있다. 도체의 양 끝에 온도 차이가 있을 때, 전류가 흐르면 그 온도 구배를 따라 열이 흡수되거나 방출된다. 이때 흡수 또는 방출되는 열의 양은 물질의 톰슨 계수, 전류의 세기, 그리고 온도 차이에 비례한다. 이 현상은 열전 냉각이나 발전 장치의 효율을 계산할 때 종종 보정 항으로 고려된다.

톰슨 효과는 열전 재료의 성능을 나타내는 열전 성능도(ZT)를 결정하는 요소들, 즉 제벡 계수, 전기 전도도, 열전도도와 직접적으로 연관되어 있다. 톰슨 계수는 제벡 계수의 온도 미분으로 표현될 수 있으며, 이는 열전 재료의 근본적인 열전 특성을 이해하는 데 중요한 관계식이다. 따라서 고효율 열전 재료를 설계하고 최적화하는 과정에서 톰슨 효과에 대한 고려는 필수적이다.

이 효과는 열전 발전이나 냉각 응용에서 주로 활용되는 제벡 효과와 펠티에 효과에 비해 그 영향력이 상대적으로 작은 편이지만, 정밀한 에너지 변환 효율 계산이나 온도 센싱의 정확도 향상 등 고성능 열전 시스템을 구현하는 데 중요한 역할을 한다.

열전 성능 지수, 또는 ZT 값은 열전 재료의 성능을 종합적으로 평가하는 가장 핵심적인 무차원 지표이다. 이 값은 재료가 열에너지를 전기에너지로 변환하는 효율을 나타내며, 값이 높을수록 변환 효율이 우수함을 의미한다. ZT 값은 재료의 제백 계수, 전기 전도도, 절대 온도, 그리고 열전도도라는 네 가지 물성치를 조합하여 계산된다.

ZT 값은 제백 계수와 전기 전도도의 곱을 열전도도로 나눈 후, 절대 온도를 곱하는 공식으로 정의된다. 이는 열전 재료가 이상적으로 가져야 할 세 가지 특성, 즉 높은 제백 계수(큰 전압 생성), 높은 전기 전도도(낮은 저항), 그리고 낮은 열전도도(온도 구배 유지)가 서로 상충 관계에 있음을 보여준다. 따라서 우수한 열전 재료를 개발하는 연구의 핵심은 이 세 가지 물성을 최적으로 조화시키는 데 있다.

현재 상용화된 대부분의 열전 재료, 예를 들어 비스무트 텔루라이드 기반 합금의 ZT 값은 상온 근처에서 1 정도에 머물고 있다. 이는 열에너지 변환 효율이 약 5-10% 수준에 해당하여, 광전지나 기존 화력 발전 등의 효율에 비해 상대적으로 낮은 편이다. 따라서 열전 발전 기술의 경제성을 높이고 보다 넓은 폐열 회수 시장에 적용하기 위해서는 ZT 값을 2 이상으로 크게 향상시키는 것이 중요한 과제로 남아 있다.

ZT 값의 향상을 위한 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행된다. 하나는 나노구조화를 통해 열전도도를 효과적으로 낮추면서 전기 전도도는 유지하는 것이고, 다른 하나는 전자 구조 제어를 통해 제백 계수와 전기 전도도의 최적점을 찾는 것이다. 산화물계 재료나 유기 열전 재료와 같은 새로운 물질군도 기존 금속이나 반도체 재료가 가지는 한계를 극복하고 높은 ZT 값을 달성하기 위해 활발히 연구되고 있다.

제백 계수는 열전 재료의 성능을 평가하는 핵심 물성치 중 하나로, 재료의 단위 온도차당 발생하는 기전력의 크기를 나타낸다. 이는 제백 효과의 세기를 정량화한 값으로, 일반적으로 기호 S로 표시되며 단위는 마이크로볼트 매 켈빈(μV/K)을 사용한다. 제백 계수의 절댓값이 클수록 작은 온도 차이로도 높은 전압을 발생시킬 수 있어, 열전 발전 효율을 높이는 데 유리하다.

제백 계수의 값은 재료의 종류와 상태에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 금속은 제백 계수의 절댓값이 작은 반면, 반도체 재료는 상대적으로 큰 값을 보인다. 이는 반도체 내에서 전하 운반자의 농도와 이동도가 제백 효과에 민감하게 반응하기 때문이다. 따라서 고성능 열전 재료를 설계할 때는 제백 계수를 최대화하는 것이 중요한 과제 중 하나이다.

그러나 제백 계수만을 높이는 것은 전체적인 열전 성능을 보장하지 않는다. 열전 재료의 종합적 효율을 나타내는 열전 성능 지수(ZT)는 제백 계수의 제곱에 비례하지만, 동시에 높은 전기 전도도와 낮은 열전도도를 요구한다. 제백 계수를 무리하게 높이면 전하 운반자 농도가 낮아져 오히려 전기 전도도가 떨어지는 상충 관계가 발생하기 때문에, 세 물성 간의 최적 균형을 찾는 것이 열전 재료 연구의 핵심이다.

제백 계수는 재료의 특성을 분석하는 데에도 활용된다. 예를 들어, 제백 계수의 부호를 측정하면 해당 재료에서 주요한 전하 운반자가 전자인지(n형) 정공인지(p형)를 판별할 수 있다. 이는 n형과 p형 열전 소자를 직렬로 연결하여 발전 효율을 높이는 열전 모듈을 제작하는 데 필수적인 정보를 제공한다.

열전 재료의 전기 전도도는 재료 내에서 전하 캐리어(전자 또는 정공)가 얼마나 자유롭게 이동할 수 있는지를 나타내는 물리적 특성이다. 이 값은 열전 성능을 결정하는 핵심 요소 중 하나로, 높은 전기 전도도는 전류 흐름에 대한 저항이 적어 전력 생산이나 냉각 성능에 유리함을 의미한다. 일반적으로 금속은 매우 높은 전기 전도도를 보이지만 열전도도도 높은 반면, 대부분의 열전 재료로 사용되는 반도체는 적절한 전기 전도도와 낮은 열전도도의 조합을 추구한다.

전기 전도도는 재료의 밴드 갭, 캐리어 농도, 캐리어 이동도 등에 의해 결정된다. 이상적인 열전 재료는 높은 제백 계수와 높은 전기 전도도를 동시에 갖추어야 하지만, 이 두 특성은 캐리어 농도에 대해 서로 트레이드오프 관계에 있어 최적화가 어렵다. 따라서 연구에서는 도핑을 통한 캐리어 농도 조절, 에너지 필터링 기법, 나노구조화를 통한 산란 효과 증대 등 다양한 방법으로 전기 전도도를 포함한 전기적 특성을 제어하고자 한다.

열전도도는 열전 재료의 성능을 결정하는 핵심 물성 중 하나로, 재료 내에서 열이 전달되는 정도를 나타낸다. 열전 재료는 열과 전기를 서로 변환하는 역할을 하기 때문에, 높은 전기 전도도와 낮은 열전도도를 동시에 갖추는 것이 이상적이다. 낮은 열전도도는 재료 양단에 온도차를 유지시켜 열전 효과를 높이는 데 기여하며, 이는 궁극적으로 열전 성능 지수(ZT)를 향상시키는 데 결정적인 역할을 한다.

열전도도는 크게 격자 열전도도와 전자 열전도도로 구분된다. 격자 열전도도는 원자나 이온의 진동(포논)에 의한 열 전달을 의미하며, 전자 열전도도는 자유 전자의 운동에 의해 발생한다. 대부분의 열전 재료, 특히 반도체 기반 재료에서는 격자 열전도도가 전체 열전도도의 주요 구성 요소이다. 따라서 열전 재료 연구의 주요 과제는 격자 열전도도를 효과적으로 낮추는 것이다.

이를 위해 다양한 전략이 개발되어 왔다. 대표적인 방법으로는 재료의 나노구조화가 있다. 나노 크기의 입자, 와이어, 또는 다층 구조를 도입하면 포논의 평균 자유 행로를 줄여 열 전달을 방해할 수 있다. 또한, 합금계 재료에서는 고용원자를 첨가하거나, 산화물계 재료에서는 복잡한 결정 구조를 설계하여 열전도도를 낮추는 연구가 활발히 진행되고 있다. 유기 열전 재료는 본질적으로 열전도도가 매우 낮은 장점이 있지만, 상대적으로 낮은 전기 전도도와 제백 계수를 개선해야 하는 과제를 안고 있다.

결론적으로, 열전 재료의 열전도도 제어는 높은 열전 변환 효율을 달성하기 위한 필수적인 연구 분야이다. 열전도도를 낮추면서도 전기적 성질을 유지하거나 향상시키는 것은 열전 성능 지수(ZT)를 극대화하는 열쇠이며, 이를 통해 폐열 회수 발전이나 정밀 냉각과 같은 응용 분야의 성능을 획기적으로 개선할 수 있다.

합금계 열전 재료는 금속이나 반도체 성질을 가진 원소들을 합금화하여 만든 재료군이다. 대표적으로 비스무트 텔루라이드(Bi₂Te₃)와 그 고용체가 있으며, 이는 상온 부근에서 가장 높은 열전 성능도(ZT)를 보여 현재 상용화된 열전 모듈의 주류를 이룬다. 납 텔루라이드(PbTe) 계열 재료는 중온역(약 500°C)에서 우수한 성능을 발휘하며, 실리콘-게르마늄(SiGe) 합금은 고온(800°C 이상) 폐열 회수 응용에 적합하다.

이들 재료는 제벡 계수와 전기 전도도가 높으면서 열전도도는 낮아야 하는 상반된 물성 요구를 충족시키기 위해 정교한 밴드갭 공학과 도핑 기술이 적용된다. 예를 들어, 비스무트 텔루라이드는 p형과 n형으로 각각 도핑되어 하나의 열전 모듈을 구성한다. 합금계 재료는 높은 성능 덕분에 정밀 냉각 장치나 자동차 배기가스 열 회수 시스템 등에 널리 사용된다.

그러나 비스무트나 텔루륨 같은 원소는 희귀하고 비싸며, 일부 재료는 고온에서 열적 안정성이 떨어지거나 유해 물질을 포함하는 단점이 있다. 따라서 성능 대비 비용을 낮추고, 재료의 내구성을 높이는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 최근에는 나노구조화를 통해 열전도도를 추가로 낮추어 성능을 극대화하려는 시도도 활발하다.

산화물계 열전 재료는 주로 금속 산화물로 구성된 세라믹 재료를 기반으로 한다. 이 재료들은 고온에서도 우수한 화학적 안정성과 내구성을 보이며, 상대적으로 저렴하고 친환경적인 원료를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 대표적인 예로는 나트륨 코발트 산화물 계열이나 스트론튬 티타늄 산화물 계열 등이 활발히 연구되고 있다. 이러한 산화물 재료는 고온 폐열을 회수하는 발전 응용 분야에 특히 적합한 것으로 평가받는다.

산화물계 재료의 열전 성능은 전형적인 합금계 재료에 비해 아직 낮은 편이지만, 나노 구조 제어나 도핑을 통한 전기 전도성 향상 연구가 지속되고 있다. 재료의 열전도도를 낮추고 제백 계수를 높여 전체적인 열전 성능도(ZT) 값을 개선하는 것이 주요 과제이다. 또한, 박막 기술을 적용하여 기존 재료의 성능 한계를 극복하려는 시도도 이루어지고 있다.

나노구조화 재료는 열전 성능을 획기적으로 향상시키기 위해 나노미터 수준에서 구조를 설계하고 제어하는 재료를 가리킨다. 기존의 벌크 재료에서는 열전도도와 전기 전도도가 서로 상충 관계에 있어 성능 향상에 한계가 있었으나, 나노 구조를 도입함으로써 포논에 의한 열 전달을 선택적으로 저감시키면서도 전하 운반자인 전자나 정공의 이동은 크게 방해하지 않는 것이 가능해졌다. 이를 통해 열전 성능 지수인 ZT 값을 크게 높일 수 있다.

주요 접근법으로는 나노 와이어, 나노 박막, 초격자 구조, 나노 입자 분산 강화 복합재 등이 있다. 예를 들어, 비스무트 텔루라이드 계열의 나노 와이어는 포논 산란을 유도하여 열전도도를 낮추고, 양자 구속 효과로 인해 전력 인자를 향상시킬 수 있다. 또한, 실리콘 나노 와이어나 게르마늄 나노 구조는 풍부한 원료와 기존 반도체 공정 기술과의 호환성 덕분에 활발히 연구되고 있다.

이러한 나노구조화 재료는 폐열 회수 시스템의 효율을 높여 자동차 배기 가스나 공장 배관에서 버려지는 열을 전기로 변환하는 성능을 개선할 수 있다. 또한, 정밀 냉각이 필요한 레이저 다이오드나 마이크로프로세서의 국부 냉각에도 적용 가능성이 크다. 그러나 나노 구조의 대면적 제조 공정의 복잡성과 비용, 그리고 고온에서의 구조적 안정성 유지가 실용화를 위한 주요 과제로 남아 있다.

유기 열전 재료는 열전 효과를 구현하는 재료 중 고분자나 탄소 나노튜브와 같은 탄소 동소체, 그리고 전도성 고분자 등을 기반으로 하는 재료군을 가리킨다. 기존의 합금계 재료나 산화물계 재료와 같은 무기 재료에 비해 가볍고 유연하며, 대량 생산이 비교적 용이하고 원료 비용이 낮다는 장점을 지닌다. 특히 플렉서블 디스플레이나 웨어러블 기기와 같이 유연성이 요구되는 사물인터넷 기기에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

주요 재료로는 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리피롤과 같은 전도성 고분자와, 이를 탄소 나노튜브나 그래핀과 복합화한 나노복합재료가 대표적이다. 이들의 열전 성능은 무기 재료에 비해 아직 낮은 수준이지만, 분자 설계와 도핑 기술, 나노구조 제어를 통해 제백 계수와 전기 전도도를 높이면서 열전도도를 낮추는 연구를 통해 열전 성능 지수를 꾸준히 향상시키고 있다.

현재 유기 열전 재료의 실용화를 위한 주요 과제는 장기적 안정성과 효율 향상이다. 습도와 산소에 대한 내환경성이 무기 재료보다 취약할 수 있으며, 고성능을 위한 재료 합성 공정의 복잡성과 비용 문제도 해결해야 할 과제로 남아있다. 그러나 친환경적이고 저비용 소재라는 잠재력으로 인해 폐열 회수를 통한 에너지 하베스팅이나 웨어러블 바이오 센서용 전원 등 새로운 응용 분야를 개척할 수 있는 가능성을 지니고 있다.

열전 재료는 제벡 효과를 이용하여 폐열을 전기 에너지로 변환하는 폐열 회수 발전에 핵심적으로 활용된다. 산업 공정, 자동차 배기 가스, 발전소, 심지어 인체에서 발생하는 낭비되는 열을 포집하여 유용한 전력을 생산하는 것이 목표이다. 이는 에너지 효율을 높이고 탄소 배출을 줄이는 데 기여하는 친환경 기술로 주목받고 있다.

폐열 회수용 열전 발전 모듈은 일반적으로 내열성이 뛰어난 세라믹 기판 사이에 P형 반도체와 N형 반도체 열전 소자를 배열하여 제작된다. 모듈의 한쪽 면을 배기관이나 공정 배관과 같은 열원에 접촉시키고, 다른 쪽 면은 냉각수나 방열판으로 냉각하여 큰 온도차를 유지하면, 열전 소자 내부에 전류가 발생한다. 이렇게 생산된 직류 전력은 전력 변환 장치를 통해 공장 설비나 배터리 충전 등에 사용될 수 있다.

주요 응용 분야로는 자동차의 배기계에 장착하여 연비를 향상시키는 연구와, 철강이나 시멘트 공장 등 고온 폐열이 대량으로 발생하는 산업 현장의 에너지 절감 시스템 구축이 활발히 진행되고 있다. 또한, 원격 감시 장비나 사물인터넷 센서처럼 전원 공급이 어려운 환경에서 소량의 전력을 자체 공급하는 에너지 하베스팅 수단으로도 활용 가능성이 탐구되고 있다.

현재 상용화된 열전 발전 시스템의 가장 큰 과제는 높은 열전 성능도와 내구성을 갖춘 재료의 개발과 함께, 시스템 전체의 경제성을 확보하는 것이다. 열전 모듈의 효율과 수명을 높이면서도 재료 비용과 제조 공정 비용을 낮추는 연구가 지속되고 있으며, 이를 통해 폐열 회수 기술의 보급을 확대하는 것이 최종 목표이다.

열전 재료를 이용한 냉각, 특히 정밀 냉각은 펠티에 효과를 응용한 대표적인 기술이다. 이 효과는 두 개의 서로 다른 도체나 반도체를 접합하고 전류를 흘려주었을 때, 접합부에서 열의 흡수 또는 방출이 일어나는 현상을 말한다. 전류의 방향을 조절함으로써 접합부를 냉각시키거나 가열할 수 있어, 매우 정밀한 온도 제어가 가능하다.

정밀 냉각 장치, 즉 열전 냉각 모듈은 펠티에 소자라고도 불리며, 냉매나 압축기가 필요 없는 고체 상태의 냉각 방식을 제공한다. 이는 소음과 진동이 거의 없고, 부품의 마모가 없어 수명이 길며, 공간을 차지하는 부피가 작다는 장점을 가진다. 또한 반응 속도가 빠르고 전류의 세기와 방향을 통해 정밀하게 온도를 제어할 수 있어, 특정 지점의 극소량 냉각이 요구되는 분야에 적합하다.

이러한 특성 덕분에 열전 냉각 기술은 정밀 측정 장비, 레이저 다이오드, CCD 및 적외선 센서와 같은 광학 소자의 온도 안정화에 널리 사용된다. 또한 의료 기기 분야에서는 휴대용 진단 장비나 혈액 분석기의 소형 냉각에, 통신 분야에서는 광통신 모듈의 열 제어에 응용된다. 최근에는 고성능 컴퓨터의 CPU나 GPU와 같은 특정 부품의 국부적인 냉각 솔루션으로도 연구되고 있다.

그러나 열전 냉각의 상대적으로 낮은 에너지 효율과 고효율 재료의 높은 비용은 광범위한 상용화를 제한하는 주요 과제로 남아 있다. 특히 대용량의 열을 처리해야 하는 일반적인 에어컨이나 냉장고와 같은 가정용 냉방 장치에는 적용되기 어려우며, 주로 소규모의 정밀 냉각이 필요한 특수 분야에서 그 가치를 발휘하고 있다.

열전 재료는 제벡 효과를 이용한 무부품 온도 센서의 핵심 구성 요소이다. 이 효과는 두 개의 서로 다른 도체나 반도체 접합부에 온도 차이가 발생할 때 기전력이 발생하는 현상으로, 이렇게 생성된 전압을 측정함으로써 온도를 정밀하게 감지할 수 있다. 이러한 원리를 적용한 열전대는 산업 현장, 연구실, 그리고 일상 기기에서 널리 사용되는 표준 온도 센서 중 하나이다.

열전 재료를 이용한 온도 센싱의 가장 큰 장점은 구조가 단순하고 유지보수가 거의 필요 없다는 점이다. 전기 저항 온도 감지기나 열전쌍과 같은 다른 센서와 달리, 외부 전원 공급 없이도 자체적으로 전압 신호를 생성하므로 시스템 설계가 간단해진다. 또한, 빠른 응답 속도와 넓은 온도 측정 범위를 가지며, 특히 고온 환경에서의 측정에 강점을 보인다.

주요 응용 분야로는 공정 제어를 위한 산업용 온도 모니터링, 자동차의 배기 가스 온도 측정, 항공우주 분야의 극한 환경 감지, 그리고 의료 장비의 정밀 온도 측정 등이 있다. 나노 기술의 발전과 함께 열전 성능도가 향상된 신소재가 개발되면서, 더욱 정밀하고 소형화된 차세대 센서로의 발전이 기대된다.

열전 재료의 효율 향상은 열전 발전 및 냉각 시스템의 상용화와 보급 확대를 위한 핵심 과제이다. 효율은 주로 열전 성능 지수(ZT)로 표현되며, 이 값을 높이기 위해 전기 전도도는 높이고 열전도도는 낮추는 것이 기본적인 연구 방향이다. 이를 위해 재료의 밴드갭 조절, 도핑 최적화, 결함 공학을 통한 포논 산란 강화 등 다양한 접근법이 활발히 연구되고 있다.

최근에는 나노구조화 기술이 효율 향상의 주요 전략으로 부상했다. 양자점, 나노와이어, 초격자 구조 등을 도입하여 나노 규모에서 전자의 이동은 촉진하면서 열의 이동(열전도도)은 효과적으로 차단하는 것이 가능해졌다. 예를 들어, 비스무트 텔루라이드 기반 초격자 박막은 높은 ZT 값을 보여주며, 실리콘 나노와이어 또한 벌크 재료 대비 열전 성능이 크게 향상되는 결과를 보인다.

또한, 기존의 무기물 재료 한계를 넘어 유기 열전 재료의 성능 개선 연구도 진행 중이다. 전도성 고분자와 탄소 나노튜브 복합재료는 가볍고 유연하며 제조 비용이 낮은 장점을 가지나, 상대적으로 낮은 ZT 값이 걸림돌이었다. 최근 연구를 통해 분자 구조 설계와 하이브리드화를 통하여 전기 전도성을 향상시키고, 나노 복합체 내에서의 계면 산란을 유도하여 열전도도를 낮추는 성과가 보고되고 있다.

효율 향상을 위한 연구는 단일 재료의 최적화를 넘어 열전 모듈 설계 및 시스템 통합 관점에서도 진행된다. 열전 소자의 배열 방식, 열 접촉 저항 최소화, 작동 온도 구간에 맞는 재료의 기능적 등급화 등 시스템 수준의 접근이 전체 변환 효율을 결정짓는 중요한 요소로 인식되고 있다.

열전 재료의 상용화를 가로막는 주요 장벽은 재료 비용과 장기적인 안정성 문제이다. 고성능을 나타내는 대표적인 합금계 재료인 비스무트 텔루라이드나 납 텔루라이드 계열은 희토류 원소나 독성이 있는 텔루륨, 납 등을 포함하는 경우가 많아 원자재 가격이 높고 환경 규제에 대한 부담이 따른다. 또한 산화물계 재료나 일부 고분자 재료는 상대적으로 원료 가용성이 좋고 비독성이라는 장점이 있지만, 열전 성능도가 낮아 효율적인 에너지 변환을 위해서는 대량의 재료가 필요해 결과적으로 시스템 비용을 증가시키는 요인이 된다.

재료의 안정성은 열전 모듈의 수명과 직결되는 중요한 요소이다. 열전 소자는 폐열 회수와 같은 고온 환경이나 정밀 냉각을 위한 반복적인 열 사이클 하에서 동작한다. 장시간 고온에 노출되면 재료 내부에서 확산 현상이 일어나거나 산화가 진행되어 열전 성능이 저하될 수 있다. 특히 접합 부위에서의 열화학적 반응은 모듈의 고장을 유발하는 주요 원인 중 하나이다. 따라서 고온에서의 화학적 안정성과 열적 안정성을 동시에 확보하는 것은 핵심적인 연구 과제이다.

비용과 안정성 문제를 해결하기 위한 연구는 크게 두 방향으로 진행된다. 하나는 텔루륨이나 세륨 같은 고가 원소를 황이나 규소 같은 풍부하고 저렴한 원소로 대체하는 새로운 물질 탐색이다. 다른 하나는 나노구조화 기술을 통해 소량의 고성능 재료로도 우수한 성능을 구현하는 것이다. 예를 들어, 나노 와이어나 초격자 구조를 도입하면 열전도도는 낮추면서 전기 전도도는 유지해 높은 ZT 값을 얻을 수 있어, 전체적인 재료 사용량과 비용을 줄이는 데 기여할 수 있다.