세계 최고 효율의 상온 열전 소재를 구현하다

차세대 친환경 재생에너지 기술 혁신을 이끌 것으로 전망

세계적 과학 저널 사이언스지에 게재돼

  우리대학교 이규형 교수(나노응용학과)가 삼성전자 종합기술원, 성균관대학교와 공동으로 세계 최고 성능의 상온 열전 소재를 개발하는데 성공했다.‘열전’이란 열 에너지와 전기 에너지를 상호 변환할 수 있는 기술로, 체온을 모바일 기기의 전원으로 활용하거나, 폐열을 자동차의 연비를 높이는데 활용하는 등 폭넓은 응용이 기대되는 분야이다. 특히 제조 방식이 간단하고 대량생산도 가능해 차세대 친환경·재생에너지 기술 혁신을 이끌 분야로 각광받고 있다.

  이 교수의 이러한 연구결과는 지난달 3일 미국과학진흥협회 (AAAS)가 발간하는 세계 최고권위의 전문 과학저널인‘사이언스(Science, IF 31.48)’지에 게재됐다. 이에 본지에서는 현재까지 열전소자 기술이 지니고 있던 한계에 대해 알아보고 새로 개발된 상온 열전소재인 ‘비스머스 안티모니 텔루라이드’에 대해 알아보고, 이것이 앞으로 우리 사회에 끼칠 영향에 대해 살펴보고자 한다.

차세대 친환경 소재 기술, 열전

  열전은 물질 내 전하의 이동에 의해 발생되는 열 이동 현상에 바탕을 두고 있는 고체에너지 변환기술이며, 열에 의해 발생한 전하이동을 통한 전기생산과 그 반대의 현상을 이용한 냉각 기술을 통칭하고 있다. 현재는 소재의 성능이 낮아 현재 와인셀러, 정수기 등 소형 냉각기에 제한적으로 응용되고 있으나, 고성능 소재 및 디바이스 설계 기술 개발로 폐열을 활용한 전기 생산으로 자동차의 연비를 높이거나 체온을 이용한 발전 등으로 활용될 수 있는 폭넓은 응용이 기대되는 분야이다. 또한 산업 폐열 및 자동차 폐열을 이용한 열전발전 시스템을 통하여 범지구적 에너지 소비 효율을 증대시킬 수 있고, 에너지 하베스팅 소자 및 고효율 열 제어 전기부품 소자로서 IT/ET 기반 신산업 창출의 핵심기술로 자리매김하고 있다.

세계 최고 성능의 열전소재 등장

  이규형 교수가 속한 연구진은 새로 개발한 금속공학적 액상 소결법¹ 으로 세계 최고 성능의 상온 열전소재인 비스머스 안티모니 텔루라이드 (Bi0.5Sb1.5Te3)를 제조하였다.

  비스머스 안티모니 텔루라이드는 대표적인 p형 열전소재로 상온 영역에서 비교적 높은 열전 변환 효율을 나타내며 주로 상온에서 열전 냉각에 상용화된 소재이다. 상용화된 소재의 zT(열전 성능지수)는 1.0 이하의 값을 가지고 있으며 2008년 Science 논문에 보고된 상온부근에서의 zT는 1.3이 최고값으로 알려져 있다. 비스머스(Bi, 원자번호 83)의 텔루라이드(Te화합물)와 안티 모니(Sb, 원자번호 51)의 텔루라이드를 합금화하여 제조된 물질이다.

  열전 기술의 응용 확대를 위해서는 소재의 열과 전기 간 변환 성능을 나타내는 zT값을 높이는 것이 가장 중요하며 이를 대용량 소재에 쉽게 적용할 수 있어야 한다.

  기존 소재는 장파장과 단파장 영역의 포논²을 산란시키는 것에만 집중한 것으로 열전도도를 낮추는데 한계가 있었다. 이에 연구진은 고밀도의 전위 배열³을 입계면⁴에 형성시키는 방법으로 열전도도를 물리적 한계수준까지 낮출 수 있었고, 기존 1.2수준에 머물러 있던 zT값을 2.0까지 획기적으로 끌어 올렸다. 열전 성능으로는 세계 최고수 준이며, 제조법 또한 간단하여 대량생 산이 가능한 장점을 지녔다.

액상 소결법¹

  고체 분말 또는 입자를 고온에서 결합시키는 과정으로 이상(理狀)의 액상을 관여시켜 결합을 수월하게 한다. 일반 고상 소결법은 고체와 고체를 결합시키는 것으로 본 연구에서는 압력을 가하면서 고체분말들의 결합을 촉진시키기 위해 액상을 관여시켜 진행하는 액상 소결법을 이용하였다.

포논²

  음향양자(音響量子)·음자(音子)라고도 한다. 음향 양자로 결정격자에 양자화된 진동을 나타내는 준입자로 물질의 열전달에 중요한 역할을 한다.

배열³

  결정체 속에 포함되는 선형(線形) 격자결함인 전위(轉位)가 규칙적인 간격을 가지고 배열로 형성된 형태이다. 격자결함이란 격자 불완전성의 일종으로 점결함, 선결함, 면결함 등이 있으며 본 연구에서는 선결함인 전위를 규칙적인 간격으로 배열시킨 것이다.

입계면⁴

  다결정 고체 안에서 동질 결정이 서로 다른 결정 방위를 가지고 접하게 되며 이러한 경계, 즉 결정 입자 간의 경계를 입계면이라 한다. 일반적으로 입계면은 전자 혹은 홀 전하를 산란시켜 전기전도도를 낮추는 역할을 하며 포논도 산란시켜 열전도도 또한 감소하게 된다.

김건회 기자 <ghfl5634@kangwon.ac.kr>