국내 연구진이 폐열을 전기로 바꾸는 열전소재를 더욱 저렴하게 고성능화하는 기술을 개발했다. 열전소재 상용화를 앞당길 핵심 기반을 마련했다.
기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 정인 나노입자연구단 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)팀이 열전소재인 다결정 셀레늄화주석 성능저하 원인을 규명하고, 이를 해결하는 기술을 구현했다고 19일 밝혔다.
셀레늄화주석은 열전성능이 매우 뛰어난 소재다. 열전소재 효율은 열전도도와 전기전도도로 결정되는데, 특히 열 전도도가 낮을수록 우수한 성능을 가진다.
특히 단결정 셀레늄화주석이 높은 성능을 보이는데, 만들기 까다롭고 제조 시간이 오래 걸린다. 쉽게 부러지는 특성도 있어 사실상 상용화가 불가능하다.
대안으로 다결정 셀레늄화주석이 떠올랐는데, 열전성능지수가 단결정 소재 대비 30% 이하다.
연구팀은 시료를 나노미터(㎚) 수준으로 관찰하는 '구면수차 보정 주사 투과전자현미경'을 이용해 다결정 셀레늄화 주석 성능 저하 원인을 규명했다. 소재 내 극소량 존재하는 산화주석 나노입자가 원인이었다. 이 물질은 열전도도가 셀레늄화주석보다 140배 높아 소재 전체 열전도도를 높인다.
연구팀은 이어 산화주석 나노입자를 제거하는 방법도 개발했다. 셀레늄화주석 분말을 ㎚크기로 분쇄한 후 저농도 수소가스를 흘려 넣어 산화주석을 제거했다.
이 결과 다결정 셀레늄화주석 열전도도를 45%나 낮췄다. 열전소재 성능 척도인 열전성능지수는 2.5 이상으로 끌어올렸다. 단결정 셀레늄화주석 열전성능지수는 2.6이다.
정 연구위원은 “이번 연구로 셀레늄화주석 소재를 저렴하게 만들어 활용하는 길을 열었다”며 “가격, 성능 한계로 제한된 열전발전기술이 상용화에 한 걸음 더 가까워졌다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
