IBS 세계최고 성능 열전소재 개발

에너지 변환성능 높여…제조법 간단·대량생산 가능

버려지는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있는 세계 최고 성능의 열전소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

제조 방식이 간단하고 대량 생산이 가능해 차세대 친환경·재생에너지 기술의 혁신을 이끌 것으로 전망된다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 연구팀은 성균관대, 삼성전자 종합기술원과 공동으로 열 에너지를 전기 에너지로 상호 변환하는(열전, 熱電) 세계 최고 수준의 열전소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

최근 자동차 엔진이나 배기가스에서 생기는 폐열을 전기로 바꾸거나 사람의 체온을 이용해 모바일 기기의 배터리를 충전할 수 있는 기술이 주목받는데 이것이 열과 전기를 상호 변환할 수 있는 열전기술이다. 열전기술을 상용화하려면 소재의 열과 전기간 변화 성능을 나타내는(zT, 열전 성능지수) 값을 높이는 게 중요하다.

연구진은 기존 1.2 수준에 머물렀던 zT값을 상온(320K, 약 47도)에서 2.0까지 끌어올렸다. 열전 성능으로는 세계 최고 수준이며 제조법도 간단하고 대량 생산 또한 가능하다.

연구진은 대표적인 열전소재인 비스머스 안티모니 텔루라이드(Bi0.5Sb1.5Te3)를 새로운 금속공학적 방법으로 열전 성능 지수를 대폭 높이는 데 성공한 것이다.

비결은 압력을 가하면서 고체 분말들의 결합을 촉진시키기 위해 액상을 관여시켜 진행하는 액상 소결법이 이용됐다.

고밀도의 전위배열을 입계면에 형성시키는 방법으로 열전도도를 물리적 한계 수준까지 낮출 수 있었다.

기존 소재는 고파장과 저파장 영역의 포논(음향양자(音響量子), 양자화된 진동을 나타내는 준입자로 물질의 열전달에 중요한 역할을 함)을 산란시키는 것에만 집중해 열전도도를 낮추는 데 한계가 있었다.

김성웅 IBS 나노구조물리연구단 연구위원은 “세계 최고 효율의 에너지 변환 열전 소자를 구현한 데 의의가 있다”며 “다른 열전소재에 적용이 가능한 만큼 실용화를 위한 연구가 추가 진행되면 열전 에너지 기술과 응용분야 효율을 획기적으로 높일 것으로 기대된다”고 말했다.

이영록 기자 idolnamba2002@