재료연구소(KIMS·소장 이정환)는 민유호 KIMS 기능세라믹연구실 선임연구원이 박철희 LG화학 연구팀과 공동으로 소재 내부 결함을 조절해 소재의 열적·전기적 특성을 동시에 제어할 수 있는 '고성능 열전소재 설계기술'을 개발했다고 2일 밝혔다. 공동연구팀은 이 설계기술로 중고온 영역에서 우수한 열전 변환 특성을 지닌 열저소재 개발에도 성공했다.
'열전'은 열에너지와 전기에너지를 상호 변환할 수 있는 기술이다. 폐열로 전력 생산을 비롯해 열관리, 에너지 하베스팅 분야에서 주목받고 있다.
400~500℃ 중고온 영역에서 우수한 특성을 나타내는 기존 열전소재는 납이나 값비싼 게르마늄을 포함해 상용화가 어려웠다.
공동연구팀은 친환경 원소만으로 소재 내부 결함을 조절하고, 열적·전기적 특성을 동시에 제어해 이 문제를 해결했다.
연구팀은 주석텔루라이드 소재에 안티몬텔루라이드를 추가해 소재 내부 결함과 전기전달 매개 기능을 동시에 제어했다. 열전소재의 열전도도를 물리적 한계인 비정질 수준으로 낮추고, 전기전달 매개체 농도는 최적화해 전기적 특성을 향상시켰다.
이렇게 만든 열전소재의 열전성능지수는 기존 주석텔루라이드 대비 약 152%, 안티몬(Sb)만을 도핑한 열전소재 대비 약 25% 향상됐다.
연구팀이 개발한 설계기술은 열관리 및 신재생에너지용 열전소재 개발에 손쉽게 활용할 수 있다. 친환경 냉각장치, 자동차 및 공장 폐열을 활용한 전력 생산에도 응용 가능하다.
민유호 선임연구원은 “손쉬운 공정과 친환경 원소 사용으로 고효율 열-전기에너지 변환소재 개발 상용화을 앞당길 수 있을 것”이라며 “열전 분야 외에 열적 전기적 물성 조절이 필요한 유사 결정구조를 지닌 소재 개발에도 손쉽게 활용할 수 있다”고 말했다.
열에너지 하베스팅 및 정밀온도제어 등 열전변환 신소재 시장은 오는 2022년에는 약 7억4600만 달러에 이를 것으로 예상된다.
이번 연구는 재료연 자체연구사업, 한국연구재단 기본연구사업 지원을 받았다. 연구 성과는 나노에너지 8월호에 실렸다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
