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친환경 에너지원으로 각광받고 있는 열전 발전용 소재 원천기술이 국내에서 개발됐다.
한국기계연구원 부설 재료연구소(소장 강석봉)는 분말세라믹연구본부 김경태 박사팀이 탄소나노튜브를 활용해 기존 열전 소재 보다 에너지 변환 성능이 뛰어난 고효율 열전 분말 합성 공정을 개발했다고 31일 밝혔다.
김 박사팀은 현재 열전 소재 중 활용도가 가장 높은 비스무스 텔루라이드계(Bi2Te3)를 탄소나노튜브와 결합시키는 방식으로 이 기술을 개발했다. 열전 소재의 에너지 변환 성능 지수를 최대 배 이상 향상시킬 수 있다. 연구 성과는 탄소나노소재 분야 저명 학술지 `카본(Carbon)` 온라인 판에 실렸다.
김 박사팀의 기술은 한계에 이른 기존 소재에 탄소나노튜브를 투입해 소재의 물성을 획기적으로 개선한 것이 핵심이다. 과거 탄소나노튜브와 비스무스 텔루라이드계 열전 소재를 물리적으로 혼합한 기술이 나왔지만 탄소나노튜브의 강한 응집성 때문에 큰 효과를 보지 못했다.
김 박사팀은 먼저 탄소나노튜브를 산소와 결합시킨 후 비스무스 텔루라이드계 열전 소재의 결정이 탄소나노튜브를 둘러싸도록 만드는 방법으로 열전 소재 분말을 제조하는데 성공했다. 이는 금속계 원소인 비스무스(Bi)와 텔루륨(Te)의 산화가 잘되는 성질을 역이용한 것이다. 금속계 원소의 일부 계면만 산화시켜 소재의 특성은 유지하면서 결합은 용이한 상태로 만들어 탄소나노튜브의 균질한 분산 및 혼합이 가능하도록 했다. 열전 소재의 에너지 변환 성능 지수를 높이려면 열전도도는 낮추고 전기전도도는 높여야 한다.
이 기술로 만든 열전 소재는 열전도도가 40% 감소했고, 전기적 특성은 10% 증가해 전체 에너지 변환 성능 지수는 최대 배 가량 높아졌다.
현재 세계 열전 에너지 시장은 약 1조원으로 추산된다. 선진국들을 중심으로 새로운 열전 소재 및 공정 개발이 시도되고 있다. 김경태 박사는 “이 기술은 항공우주, 국방, 수송기기용 열전 발전은 물론 가전, 자동차 등 다양한 열전냉각 소자의 성능을 향상시키는 핵심 기술로 활용할 수 있다”며 “기술 관련 특허권을 확보했고, 미국과 일본 등 국외특허도 출원 중”이라 말했다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
열전 발전
열전 발전(Thermoelectric Generation)이란 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술로 고온 부분과 저온 부분 사이의 온도차에 의해 발생하는 전하의 흐름을 이용해 전기에너지를 생산하는 것이다.
