■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

열전변환(thermoelectric conversion)은 열을 전력으로 직접 변환시키는 것과 역으로 직류의 통전에 의해 냉각 혹은 가열하는 고체상태(solid state)의 에너지 변환기술이다. 열전변환은 온도차에 따른 기전력(지벡계수), 열전도도, 전기전도도에 의해 그 특성이 결정되고, 열전변환의 성능은 열전성능지수(figure of merit, ZT)로 나타내고, ZT=α2·σ/κT로 표현된다. 여기서, Z : 성능지수, α : 지벡계수(V/K), σ : 전기전도도(Ωm), κ : 열전도도(W/mK), T : 절대온도를 나타낸다.

일반적으로 열전성능지수는 지벡계수가 클수록, 전기전도도가 우수할수록, 열전도도가 낮을수록 높게 돼 에너지변환효율이 향상된다. 그러나 일반적으로 열전도도와 전기전도도는 동일한 거동을 나타내므로 열전도도와 전기전도도의 특성을 동시에 제어하는 것이 불가능해 열전특성의 향상에 한계가 있었다. 즉 기존의 마이크로한 결정립을 갖는 소재로는 나노미터 파장을 갖는 전하의 이동과 포논의 이동을 동시에 제어해 원하는 열/전기적 특성을 확보하는데 어려움이 있었다. 전하와 포논의 이동현상은 나노미터 이하영역에서 관찰되는 현상이므로 나노미터 크기에서 미세조직을 제어하는 나노소재기술을 활용해야만 이들을 효과적으로 제어할 수 있다.

따라서, 열전변환용 나노소재기술이란 높은 ZT값을 확보하기 위해서 열전재료를 나노결정립구조화하거나 나노복합화해 포논의 이동을 효과적으로 방해시키고 전하를 흐르게 함으로써, 전기전도도는 증가시키고 열전도도는 저감시킬 수 있는 소재기술을 총칭한다.

▲ 열전변환의 개념도 및 열전변환용 나노소재 개념열전변환용 .

◇ 기술의 분류

최근 열전의 응용을 위해 열전소자기술이 발표되고 있지만, 열전의 경우 나노소재의 성능에 따라 열전소자의 성능이 크게 좌우되므로 본 원고에서는 열전소재기술 위주로 기술을 분류했다. 열전변환용 나노소재 기술은 크게 열전소재의 형태에 따라 나노분말, 나노와이어, 나노박막, 나노복합소재로 구분할 수 있으며, 각각의 세분류는 다음의 표와 같다. 열전소자의 경우 용도에 따라 박막소자, 후막소자, 벌크소자로 나눌 수 있으며 각각 확보된 나노소재에 대응하는 소자의 설계기술과 시스템화 기술로 분류할 수 있다.

▲ 나노소재 분류.

■ 기술의 환경변화

◇ 배·폐열을 활용한 에너지 하베스팅 기술개발 요구 증대

국제적인 에너지절감 노력과 지구 온난화 문제가 대두됨에 따라 최근 열전변환 연구가 활발하다. 특히 수송기기의 엔진, 대형 플랜트에서 발생하는 배열과 폐열을 활용해 전기를 생산하는 에너지 하베스팅 (energy harvesting)에 관심이 집중되고 있다. 현재 차량/산업 원료에너지 중 60~70%가 폐열로 방출되는데 이 중 10%의 열 회수로도 전 세계 화석연료 사용량의 4~5% 감축이 가능해 열전발전분야의 거대시장 창출 가능성이 부각되고 있다.

▲ 차량의 폐열 비율.

◇ 자가발전 및 능동형 냉각용 부품소재기술의 필요성 증대

과거의 열전변환기술은 우주/군사용 등의 특수 전원 등 주로 고가의 대형장비에 적용됐다. 최근에는 체온을 비롯해 다양한 열원을 이용해 미량의 폐열에서도 가동이 가능하며 이동성이 우수한 독립된 전원으로 이용하기 위한 연구가 활발하다. 또한 열전 냉각분야에서는 자동차용 냉/온 시트에 이어 냉장고, 냉방장치 등의 가전제품에 응용연구가 진행되고 있다. 향후 전기자동차에서 배터리의 소모를 최소화하는 특별한 냉/난방 장치가 요구되기 때문에 열전분야가 이에 대한 해결책을 제시할 것으로 인식된다. 이와 같이 향후 예상되는 잠재시장을 미리 선점하기 위해서는 고효율의 열전변환 신소재 및 제조공정기술의 확보가 필요하다.

■ 기술의 중요성

◇ 열전소자의 성능은 나노소재 특성에 좌우

열전소재의 성능지수는 수십년간 ZT가 1.0 수준에 머무르고 있었으나 2001년 미국 MIT의 Hicks그룹에서 나노구조의 초격자 박막 열전반도체를 통해 ZT값이 2.4까지 향상됨을 실증한 이후부터 나노구조화 기술을 이용한 열전소재연구가 활발하다. 나노결정립으로 이루어진 소재의 경우 나노결정립계면에서 포논의 전달이 효과적으로 억제되고 전하의 흐름을 제어할 수 있기 때문에 박막이나 벌크재료 내부에 다양한 형태의 계면과 표면을 형성시키는 것이 중요하다. 이를 위해 결정립을 나노화하는 연구와 새로운 제2의 나노크기의 분산상을 도입하는 연구가 진행 중이다.

◇ 저차원 나노소재를 활용한 열전변환성능지수 향상 가능

최근에는 박막이나 벌크 형태가 아니라 1차원 선형태의 열전재료에서 획기적인 열전도도 저감과 전기적 특성의 향상이 발견되고 있다. MIT의 Dresselhaus교수가 밝힌 바와 같이 1차원 나노소재의 경우 기존의 소재에서 발생되지 않는 양자제어(quantum confinement)효과가 나타나 높은 제벡계수의 확보가 가능한 것으로 보고됐다. 최근 Bi계열의 나노와이어에서 그 예측이 실증되고 있기 때문에 향후 우수한 열전신소재 확보를 위해서는 저차원 나노소재기술의 개발이 필수적인 요소가 될 것으로 판단된다.

▲ 열전성능지수의 발전.

■ 기술분야별 동향

◇ 나노결정립의 열전나노소재 제조기술

○ 물리적 기법에 의한 열전나노분말합성 기술

일반적으로 열전나노분말은 원료소재를 용융해 잉곳화한 후 이를 분쇄하는 top-down방식으로 제조된다. 이때 고에너지 볼밀링기술 등을 도입해 잉곳을 분쇄할 경우 나노분말이 확보된다. 2008년도 MIT 연구그룹이 기계적 밀링공정을 이용해 Bi-Te계 열전분말을 20~50nm급으로 크기를 제어해 우수한 열전성능지수 ZT값을 확보한 결과가 Science紙에 발표된 이후에는 나노결정립재료 제조 연구는 기계적 밀링된 나노분말로부터 시작되고 있다.

중국의 Wuhan대학과 Zhejiang대학 등에서는 용융방사(melt spinning)법을 이용해 층상형 열전나노분말(layered structured nanopowders)을 제조하고, 이들을 소결해 벌크화하는 합성기술을 개발했다. 이 방법은 기계적 밀링공정에서 발생할 수 있는 오염문제 등을 해결하고 주조방식의 열전잉곳으로부터 바로 열전나노분말을 얻을 수 있는 장점이 있다. 용융방사법으로 제조된 열전나노분말들은 소결이후에도 나노구조의 층상계면들이 효과적으로 존재하기 때문에 열전특성 제어에 매우 유리하다.

▲ 기계적 밀링공정으로 제조한 열전나노소재.

○ 화학공정 기반 열전나노분말합성 기술

기존의 원료소재 잉곳의 용융과 분쇄방법을 탈피하기 위해 열전재료가 되는 금속염을 용매에 용해시키고 이들을 환원처리하는 과정에서 계면활성제 등을 사용해 나노입자를 형성하는 기술이 있다. 이 합성법은 열전나노입자의 크기를 극소화하거나 다양한 형태의 나노입자를 확보할 수 있는 장점이 있다.

2009년 독일의 Hamburg대학과 막스플랑크 화학물리연구소가 Bi염과 Te염을 용매에 녹인후 polyol환원제를 사용해 환원시켜 10nm크기의 열전나노분말을 제조할 수 있는 화학공정 기반 나노분말 합성법을 개발했다. 최근 미국 펜실베니아 주립대학과 Univ. of South Florida의 연구진이 공동으로 화학용매를 사용한 다양한 크기의 열전나노입자를 제조하는데 성공했다. 중국의 Zhejiang대학의 경우 solvothermal 공정을 이용해 나노튜브 형상을 갖는 열전나노입자를 제조하는 공정을 개발해 관련 연구결과를 지속적으로 발표하고 있다.

▲ 폴리올 환원공정을 이용하여 제조한 10nm급 열전나노분말.

◇ 열전나노복합재료 제조기술

열전나노복합재료란 전기전도에는 기여하지 않고 격자(phonon) 산란을 극대화하기 위해 열전기지상에 나노크기의 제 2상의 입자를 첨가한 소재를 말한다. 다음 그림의 개략도와 같이 고성능 열전소재 설계시에는 포논의 평균 이동거리를 감소시켜 열전달 속도를 낮추고 전하는 빠르게 이동시켜 전기전도도를 향상시키는 나노입자가 분산된 열전기지의 나노복합재료의 제조가 ZT향상에 유리하다. 특히 나노입자의 크기가 10nm수준 이하로 제어될 경우 전하는 통과를 하고 포논은 산란되는 효과가 발생하는 것으로 많은 연구에서 발표되고 있다. 즉, 격자열전도도의 감소측면뿐만 아니라 분산되는 나노입자와 열전기지재료 사이의 계면에서 발생하는 전자의 상태밀도 변화나 전하밀도 변화는 제벡계수의 증가에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 나노복합재료 개념에서는 격자열전도도 감소와 더불어 전기전도도의 제어와 제벡계수의 향상을 동시에 추구할 수 있다는 이점이 있다.

▲ 열전나노복합재료 개념도.

○ 물리적합성기술

현재 열전 나노복합재료를 형성하기 위해 분산상이 되는 제2상과 열전기지재료를 서로 기계적으로 혼합해 복합분말을 제조하고 이를 소결해 복합재료를 제조하는 공정이 주로 사용되고 있다. 분산상으로 사용되는 제2상의 경우에는 SiC, Alumina와 같은 비전도성 나노입자들이 사용되기도 한다.

최근에는 전도성이 우수한 Ag, Cu 등의 금속이나 탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)를 사용해 열전복합재료를 합성한다. 중국의 청화대학교에서는 SiC나노입자를 기계적 밀링공정으로 분산시켜 열전나노분말을 합성해 상온에서 ZT가 크게 향상되는 결과를 얻었다. 중국의 Wuhan대학 연구진의 경우 용융방사(melt spining) 공정으로 제조한 나노분말에 5~15nm급의 비정질 나노입자를 석출시키는 공정을 개발해 열전도도를 기지상 대비 35%까지 저감시키기도 했다. 최근 삼성전자종합기술원에서는 열전기지가 되는 원료재료에 나노크기의 금속 나노입자를 도입해 나노입자 크기를 감소시키고 열전도도 저감효과를 확보하는 결과를 발표했다.

▲ 열전나노복합재료 개념도 및 열전특성 제어 개념도.

○ 화학공정 기반 합성 기술

종래의 기계적 혼합방법을 이용한 분말 제조공정으로는 나노분산상을 열전입자 내부에 선택적으로 위치시키기가 어렵기 때문에 새로운 제조공정의 설계를 통해 합성해야 한다. 이에 대한 해결방안으로는 분말합성 초기단계에서부터 화학공정을 이용해 bottom-up 접근을 통해 나노분산상을 seed로 한 복합분말을 제조하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 화학공정에는 열전기지재료를 무기물로 제조하는 방법과 폴리머 기지의 유기물 열전소재의 제조로 분류할 수 있으나, 기본적으로 제2상을 혼합해 나노소재를 합성하는 개념이 유사하기 때문에 무기물기반의 열전나노복합소재를 화학공정으로 제조하는 내용을 소개하고자 한다.

현재까지 해외 선진국의 경우에도 기계적 밀링공정이외에 화학공정을 이용한 나노복합소재 제조에 대한 접근은 일부 고분자 기지에 국한돼 나타나고 있다. 재료연구소(KIMS)에서 폴리올 공정 기반의 알루미나 나노입자 분산 열전나노분말 제조공정을 개발한 바 있으며, 최근에는 CNT를 균질하게 분산시킨 열전나노소재 합성공정기술을 개발했다. 향후 열전물성의 향상은 복합화를 통해 이루어질 것이 확실시 되고 있기 때문에 전 세계적으로도 초기단계에 있는 이 분야에 대한 연구 선점이 매우 중요할 것으로 판단된다.

▲ 화학공정을 이용한 열전나노복합재료 합성 개념도.

차량·산업용 에너지 중 60~70% 폐열…열전변환용 나노소재 시장잠재력 커

美·日·EU 치열한 기술 선점 경쟁, 中 희토류 무기로 강력한 경쟁자로 부상

◇ 저차원 열전나노소재 제조 및 특성평가 기술

○ 1차원 나노선 미세조직제어기술

열전나노소재중에서 저차원의 나노선을 활용한 연구는 이전의 벌크 수준의 소재연구와는 조금 다른 양상으로 진행되고 있다. 즉 나노구조화된 벌크 열전소재의 경우에는 대부분 재료내부에 새로운 계면 형성을 통해 열전도도 저감을 첫 번째 목표로 하고 있다. 이에 비해 1차원 형태의 열전나노선의 경우에는 열전도도 저감과 함께 양자구속효과에 의한 제벡계수의 향상도 함께 도모하고 있다. 실제로 연세대학교와 미국 UC Berkeley대학의 공동연구결과를 보면 Bi 나노선의 직경이 나노화됨에 따라 우수한 ZT값을 확보하는 결과를 발표하고 있다. 또한 Stanford대학의 Peidong Yang그룹은 스퍼트링(sputtering) 공정조건의 변경을 통해 나노선 내부의 미세조직을 super lattice화하거나 rough interface를 인위적으로 형성시킴으로써 효과적인 열전도도 저감이 일어날 수 있는 공정을 개발해 보고하고 있다.

▲ 열전나노와이어 제조방법.

○ 1차원 나노선 열전특성평가기술

나노선, 나노와이어의 합성도 중요하지만 이들에 대한 개별적인 열전특성평 또한 매우 중요하다. 나노선 열전도도 측정과 전기적 특성 평가는 현재 UC Berkeley의 Majumdar 교수 연구진이 가장 활발히 연구하고 있으며 MEMS기술을 이용해 개별적인 나노선의 열전특성을 측정해 발표하고 있다.

▲ 1차원 열전나노와이어 열전특성평가방법.

■ 기술개발 주요이슈

◇ 열전나노분말 대량합성공정 기술 개발

열전소재의 성능지수 ZT값을 획기적으로 향상시키기 위해서는 고효율의 열전나노분말의 대량 제조공정개발이 시급하다. 현재 샘플의 불순물 첨가문제, 극미세 나노분말 제조의 어려움 등으로 대량생산이 쉽지 않다. 현재까지 실용화에 가장 근접한 공정으로는 기계적 밀링에 의한 나노분말 합성공정이 가장 유력하다. 한편, 화학공정의 경우 열전분말의 크기를 나노화하기 용이하고 우수한 특성의 분말을 만들 수 있는 장점이 있지만, 배치(batch)타입의 공정한계로 인해 분말 제조 양이 매우 적은 단점이 있다. 최근 미국 RPI(Rensselaer Polytechnic Institute) 연구진이 마이크로파(microwave) 기술을 이용해 분당 10g의 속도로 화학공정기반의 열전분말 제조공정을 개발해 주목을 받고 있다.

◇ 제벡계수 향상이 가능한 신소재 개발

현재까지 대부분의 연구는 열전도도 저감을 통해 ZT값을 향상시키는 방법을 사용했다. 앞 절의 대부분 연구결과도 결국은 열전도도 감소를 확보하기 위해 재료내부에 계면을 형성시키거나 새로운 결정립계를 형성시키는 것을 기본 원리로 채택하고 있다. 그러나, 실제로 ZT값은 제벡계수의 제곱에 비례하기 때문에 최근에는 제벡계수를 향상시킬 수 있는 신소재개발이 주요한 이슈가 되고 있다.

▲ 열전성능 향상 기구 예측.

◇ 저비용 열전모듈 제조기술 개발

나노구조화 되거나 나노복합화 된 열전신소재가 개발된다면 이를 실용화하기 위해서는 소자화 하는 공정기술의 개발이 요구된다. 기존에는 열전나노분말을 벌크화 한 후 element단위로 절단해 열전모듈을 제조하고 있다. 이 경우 절단시 발생하는 재료의 손실이 너무 크고 열전모듈 조립단계를 수작업에 의존해야하는 경우가 많기 때문에 경제성이 매우 떨어진다. 따라서, 최근에는 스크린프린팅공정을 통해 나노분말을 직접 패터닝해 소자로 제작하는 기술이 프랑스와 국내(재료연구소 등)에서 연구가 진행중이다.

◇ 열전 원료소재 확보기술 개발

Bi, Te, Co, Sb 등 대부분의 열전소재는 지구상에 존재하는 금속 중에 매장량이 적은 편이다. 최근 재료연구소, 생산기술연구원, 공주대학교에서 몇몇 업체와 함께 원료소재 확보와 나노분말을 제조할 수 있는 신공정기술을 개발하기도 했지만, 향후 원료소재 확보뿐만 아니라 모듈재활용에 대한 이슈도 제기될 것으로 판단되므로 이에 대한 대비가 요구된다.

■ 해외 동향-미국

◇ 연구개발 현황

미국의 경우 2009년부터 에너지부(DOE)에서 “Basic Energy Sciences(BES)” 과제를 통해 MSU(Michigan State University)·UCSB(University of California at Santa Barbara)는 나노기반 열전소재, MIT등은 태양전지-열전 에너지변환소자를 개발하는 연구개발을 시작하고 있다. 또한 DOE EERE(Energy Efficiency and Renewable Energy)라는 과제를 통해 GM(General Motors), BSST사, MSU 등이 공동으로 차량용 열전발전시스템에 대한 연구를 진행 중이다.

GM과 Ford 등 자동차 업체에서는 차량용 열전냉난방시스템을 개발하고 있다. 차량용 열전냉각/냉난방 과제의 경우 2009년부터 2013년까지 4년간 약 800만달러가 투입되며 현재 1,2단계 p형 및 n형 열전소재를 개발한 상태이며 3단계 열전 HVAC(Heating, Ventilating and Air Conditioning) 시스템장착을 연구하고 있다.

업체뿐만 아니라 대학에서는 MIT를 중심으로 주요대학들이 화학공정을 이용한 열전소재 개발과 UC Berkeley, Caltech에서는 저차원 나노소재 개발 및 열전특성평가기술을 독자개발하고 나노신소재에 대한 특허를 선점하고 있다.

▲ 열전변환기술 - 미국의 선도 기관.

■ 해외 동향-유럽

◇ 연구개발 현황

유럽에서는 열전관련 15개 프로젝트가 7차 FP(Sevnth Framework Programme)에 의해 진행 중에 있다. 독일의 경우 Fraunhofer IPM은 나노시스템의 코팅성장기술을 기반으로 나노박막모듈 연구에서 최고기술을 보유하고 있다. 독일의 German DLR의 경우에는 중온용 발전모듈을 제조해 항공 및 자동차에 사용하고자 하며, Quick-Ohm이라는 업체는 열전냉각재료와 모듈을 연구 중이다. 박막모듈에서 실제 제조 판매중인 회사는 독일의 micropelt가 가장 앞선 기술을 보유한 것으로 알려져 있다. BMW에서는 Bi-Te계 열전소재를 이용해 500W급 열전발전기 시제품을 제조해 실장하는 연구를 진행 중이다.

프랑스의 경우 Metz대학의 CNRS와 Renault 등에서 자동차용 폐열회수 열전모듈기술확보에 약 2,000만유로의 연구개발비를 투자하고 있는 것으로 알려져 있다. 프랑스는 화학공정을 이용한 열전나노신소재 합성분야에 강점을 가지고 있으며 후막공정분야도 집중적인 연구를 진행하고 있다. 러시아의 경우 Kryotherm에서 냉각 및 온도제어 산업시스템 열전냉각 모듈을 제작하고 있으며 나노신소재의 활용도 검토하고 있다. 러시아 Ioffe연구소에서는 열전나노분말 합성기술과 더불어 고효율의 열전재료 평가기기 제조에도 투자하고 있다.

▲ 열전변환기술 - 유럽의 선도 기관.

열전발전분야, 2022년 세계 시장 7조5천억 형성

韓, 新 열전소재 개발 위한 과감한 정부 지원 절실

■ 해외 동향-일본

◇ 연구개발 현황

소재 강국인 일본에서는 국가 주도의 “고효율 열전변환 시스템 개발”이라는 NEDO 프로젝트가 2002년부터 2007년까지 5년 동안 수행됐다. IHI, UBE, eco21, Komatsu, Toshiba, Yamaha 등의 전자회사뿐만 아니라, Toyota, Honda 등의 자동차 제조회사도 연구에 적극 참여하고 있다. 그 이후에도 CREST/MEXT(문부과학성) 등의 프로그램을 통해 정부차원에서의 대규모 사업지원이 계속되고 있는 상황이다.

일본의 경우 열전나노신소재의 합성공정기술의 개발과 더불어 디바이스부분에 대한 투자를 함께하고 있다. 열전 발전 디바이스 일본 국내 시장은 2010년도 2,500만엔, 2014년도는 10조9,800만엔으로 예측된다. 2011년 일본에서는 산업용 배열 활용을 목적으로 소각로나 공업로 전용, 산업 기기용 열전발전 디바이스, 시스템의 실증 실험 등의 일부 도입이 되고 있다. 2013~2014년경에는 일본 국내 열전발전 디바이스 메이커의 제품이 시장에서 형성되면서 메이커마다 실증 실험을 거듭해 서서히 도입 건수가 증가할 것으로 예상된다. 2016년경에 실용화가 전망되는 분야는 자동차, 태양열 전용발전이다.

▲ 열전변환기술 - 일본의 선도 기관.

■ 해외 동향-중국

◇ 연구개발 현황

중국의 경우 NSFC와 국가기초연구 프로젝트를 기반으로 대학과 업체에 열전나소신소재 탐색관련 기초연구를 대규모로 지원하고 있는 것으로 알려져 있다. 특히 국가기초연구의 경우 총 973개 팀으로 체계적인 정부지원 하에 연구개발이 진행 중이다. 중국내에서는 열전관련 원료소재 광산이 풍부하기 때문에 향후에는 이들 광산에서부터 열전소재를 추출하는 연구개발이 예상된다. 선진국과는 달리 열전나노신소재 개발보다는 기존소재의 열전모듈화와 시스템 제작 판매에 더욱 주안점을 두고 연구개발을 진행 중이다.

▲ 열전변환기술 - 중국의 선도 기관.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

국내에서는 삼성전자, LG화학, 현대자동차 등을 중심으로 열전분야에 대한 관심이 커지고 있는 상황이다. 이에 따라 국책연구소와 대학 등 다양한 주체에서 열전 나노소재의 합성 및 특성평가기술에 대한 연구를 진행하고 있다. 최근에는 삼성코닝정밀소재, LS니꼬동제련, SK이노베이션 등의 소재 관련 기업들이 나노기술을 이용한 열전소재 대량합성기술개발에 관심을 갖고 관련 과제를 발굴하고 있다. 연세대, 삼성전자, 재료연구소 등을 중심으로 신조성의 열전나노소재와 저차원의 열전나노소재 합성 및 열전원료소재 확보분야에서 우수한 연구결과가 발표되고 있다.

현재 열전관련 정부과제로 지식경제부 주관 ‘소재원천기술개발사업’ 으로 고차원 나노구조 열전재료에 관한 기초연구개발과제가 수행중이며, 국방과학연구소 주관으로 열전변환기술의 국방기술 응용에 관한 과제가 진행 중이다. 또한 에너지기술평가관리원에서 열전변환기술에 대한 신규과제가 한국전기연구원을 중심으로 진행되고 있다.

이처럼 국내의 열전분야 연구는 해외선진국과는 달리 정부의 체계적인 정책 지원 하에 이루어지기 보다는 단위과제 형태로 지원되고 있는 형편이다.

▲ 열전변환기술 - 국내의 선도 기관.

▲ 열전변환기술 - 기술격차 및 기술수준.

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

열전기술은 1950년대부터 우주 및 군사용으로 개발돼 사용됐으나 최근에는 500W급 이상의 대형 열전발전시스템 제작에서부터 차량용 시트의 냉각 및 가열 시스템에 이르기까지 응용영역이 크게 확대되고 있다. 2011년도 미국 Amerigon사의 경우 자동차 냉/온 시트로 총매출액 4,400억원을 달성하기도 했고 중국의 Fuxin사는 2008년 기준으로 열전모듈 생산으로만 600억원의 매출을 달성하고 현재 성장세가 지속되고 있는 실정이다.

미국·독일·일본·러시아 등을 중심으로 많은 기업들이 현재수준의 ZT값을 나타내는 소재를 활용하면서 열전모듈과 실용제품을 제조하고 있다. 즉 열전 나노신소재를 직접적으로 사용해 모듈을 제조하기 보다는 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 기존 소재를 사용해 산업화에 활용하고 있다.

최근에는 국내에서도 기존 중소기업 이외에 LG, 삼성을 비롯해 열전모듈을 장착해 판매할 아이템을 발굴하고 마케팅할 수 있는 역량을 가진 대기업의 참여가 가시화되고 있어, 신소재개발과 그를 활용한 실용모듈의 국내 제작기술도 크게 향상 될 것으로 예상된다.

▲ 열전변환기술 - 국내외 산업동향.

◇ 시장규모 및 전망

열전소재의 잠재시장규모는 자동차 폐열발전, 산업 폐열발전 등의 시장규모가 가장 크고 냉각 및 발전소재의 시장규모는 소재성능에 크게 좌우되는 경향이 있다. 전체 세계시장중 열전 발전 부문이 약 1조5,000억원에 달하며 냉각부분은 약 8,000억원, 그 외 센서 시장이 약 1,000억원 규모로 추정되고 있다. 국내 시장의 경우 세계시장의 10%수준을 가정하면 약 1,000억원 규모의 시장이 형성돼 있는 것으로 예상되고 있다. 2008년 Frost & Sullivan의 보고를 기준으로 매년 20~30%수준의 성장률이 지속된다면 향후 열전발전분야만 2022년에는 약 7조5,000억원에 달하는 세계시장이 형성될 것으로 전문가들은 전망하고 있다.

▲ 열전변환기술 - 국내외 시장 규모 (2011년 현재, 단위 : 백만달러).

▲ 2014년까지 열전발전시스템 수요예측.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

○ 열전나노복합재료 합성기술 개발

열전소재의 전기전도도는 증가되고 열전도도는 감소되는 방향으로 미세조직이 제어되기 위해서는 제2상의 이종소재와의 복합화기술이 가장 효과적이다. 따라서 저차원의 나노소재(CNT, Graphene포함)와 열전기지상 사이의 하이브리드화가 가능한 새로운 공정기술의 개발이야말로 열전신소재 개발의 가장 큰 방향이 될 것으로 예상된다.

○ 저가격 고성능 열전모듈화 기술 개발

현재의 열전모듈 제조방법은 자동화가 어렵기 때문에 대량생산에 의한 저가격화가 현실화되기 어렵다. 따라서 모듈 제조 중에 재료 손실을 최대한 줄이면서 새로운 형태의 열전소자를 제조함으로써 경제성을 확보할 수 있는 열전모듈 제작공정의 개발이 필수적이다. 향후에는 기존의 절단-가공의 일련의 과정에 따른 방법을 답습하기보다는 후막공정 등을 이용한 near-net shaping이 가능한 제조공정이 개발됨으로써 우수한 특성의 열전모듈을 싼 값에 공급할 수 있는 모듈제조 연구가 진행될 것으로 예상된다. 특히 최근 모바일기기의 발전에 따라 이에 걸맞은 보조 독립전원이 요구되는 분야나 플렉시블 디스플레이 등에 사용되는 전원으로 열전모듈 기술이 사용될 수 있도록 연구개발이 추진될 것으로 전망된다.

○ 타 에너지 하베스팅 기술과의 융합기술 개발

열전현상을 이용한 에너지변환기술도 훌륭한 에너지 하베스팅 기술이라고 할 수 있다. 하지만 향후에는 폐열과 진동이 동시에 존재하는 곳이나 태양과 열이 존재하는 곳에 기존의 압전소자나 태양전지 소자와 함께 열전기술을 사용함으로써 단위면적당 에너지 하베스팅 효율을 극대화할 수 있을 것이다. 이를 통해 갈수록 심각해지고 있는 환경문제에 대응함과 동시에 단일 소자를 통해 구현할 수 없는 새로운 특성을 부여할 수 있기 때문에 에너지 하베스팅 기술영역을 크게 확대할 수 있다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

○ 열전변환 나노소재 원천기술 확보 지원

앞 절에서 설명한 바와 같이 열전소자의 성능은 열전소재에 크게 좌우되고 있기 때문에, 열전변환 신소재기술의 확보여부는 열전변환기술의 핵심이다. 따라서 대학과 국책연구소에서 열전변환 신소재 관련 원천기술을 확보할 수 있도록 정보차원의 기초연구지원이 절실한 실정이다.

향후 열전변환 나노소재 제조기술은 선진국으로부터 기술도입이나 개량이 불가능할 것으로 판단되므로 정부주도의 중장기 연구개발 투자를 통한 원천, 기반기술을 선점하는 전략이 필요하다. 새로운 합금계 개발, 고성능 하이브리드 미세조직 설계와 공학적인 해석을 바탕으로 한 원천 공정기술의 확보를 위해 국가 주도하에 종합적인 연구가 필요하다. 또한 연구개발 사업에 부품소재기업과 함께 수요기업의 참여를 적극적으로 유도해 열전신소재의 원천기술과 응용기술을 유기적으로 연결시키는 연구개발 전략이 필요하다.

○ 실용화과제에 대한 정부차원의 과감한 투자

에너지변환 열전나노소재기술은 2016년 이후부터 시제품 제작수준의 기술확보가 가능할 것으로 전망된다. 따라서, 우리나라가 열전나노소재의 실용화시기를 1~2년 더 앞당길 수 있다면 열전변환 에너지분야에서는 독보적인 기술을 선점할 수 있을 것으로 예상된다. 이를 위해서 정부는 기존의 단위과제 형태의 지원을 탈피해 ‘원료소재확보-나노분말제조-소자제작-시스템화-재활용’에 이르는 선순환 구조가 가능한 대형과제를 기획해 연구개발을 추진하는 것이 필요하다.