▲ 원자결함 구조를 이용한 전하/포논 이동제어 모식도(左). 개발된 소재가 적용된 열전소자를 재료연구소와 (주)대양이 협업해 제작했다.

국내 연구진이 열과 전기에너지의 상호변환 효율을 극대화한 신소재 기술을 개발해 시장이 날로 성장하고 있는 열전소재를 국산화할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

재료연구소(KIMS, 소장 이정환)는 분말/세라믹연구본부 김경태 박사 연구팀이 원자단위 규모의 결함을 제어해, 열과 전기에너지의 상호변환 효율을 향상시키는 소재와 공정기술을 세계 최초로 개발했다고 24일 밝혔다.

이번에 개발된 기술은 원자단위 결함들을 나노미터 크기의 영역에 인공적으로 모아 열전소재의 물성을 좌우하는 ‘전자’와 열전달 매개체로서의 ‘포논’의 이동을 원천적으로 제어하는 신소재 기술이다.

지금까지의 기술은 열전소재 내에 형성되는 원자단위 결함의 존재와 그 영향에 대한 기본적인 이해에 치중했을 뿐, 긍정적인 효과를 보이는 원자결함만을 선택적으로 활용해 구조체로 제조하는 기술로까지 확장시키지는 못했었다.

열전소재가 우수한 에너지 변환 성능을 갖기 위해서는 서로 양립하기 어려운 ‘낮은 열전도성’과 ‘높은 전기적 특성’을 동시에 확보할 수 있어야 하기 때문에 열전 산업화를 위한 고효율 소재 개발이 핵심이다.

연구팀은 원자단위 결함을 선별적으로 나노미터 크기 영역으로 결집시키는 결함 엔지니어링 기술을 통해, 고효율 에너지 변환의 성능을 갖는 열전소재를 개발했다. 열전소재에서 자연적으로 발생되어 물성저하의 원인으로 지목되던 원자결함들을 원하는 영역에 일정한 크기로 결집시켜 소재의 전기적 물성 향상과 열전도도 저감을 동시에 확보하는데 성공했다. 그 결과, 기존 소재와 비교해 최소 1.6배 이상 향상된 열전에너지 변환 물성을 확보했을 뿐만 아니라, 100℃ 정도의 온도 차이로부터 최대 발전효율 약 8%를 획득할 수 있었다.

이 기술이 열과 전기에너지의 상호변환 소자에 적용될 경우, 배·폐열을 이용한 발전, 전기를 이용한 냉각·가열 시스템 분야의 소재와 소자, 그리고 모듈 시장 확대 등에 핵심소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 모바일기기용 체열발전장치와 각종 센서용 전원공급 장치는 물론, 차량과 가정용 냉·온장치(무소음 냉장고, 와인셀러, 정수기 등) 등에 적용이 가능하다.

또한 이번 기술 개발을 통해 수입에 의존하고 있는 열전소재의 고부가가치화 및 수입 소재의 대체도 가능할 것으로 전망된다. 헬스케어, 센서네트워크, 국방용 등 열전소자 및 시스템 관련 세계시장의 규모는 2022년 기준으로 약 7억4천만달러 수준으로 예상되고 있다.

연구책임자인 김경태 책임연구원은 “본 기술은 열전소자의 성능 향상을 위한 원천소재기술 성격이 강할 뿐더러 종래의 분말야금 공정을 그대로 사용하기 때문에, 열전소재의 고부가가치화와 공정 기술의 실용화 측면에서 큰 의미를 가진다”고 말했다.

한편 연구 성과는 에너지 분야에서 저명한 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’의 2019년 1월호에 게재됐으며, 연구팀은 열전분말 및 소재 제조기술에 관한 연구결과를 지적재산권으로 확보했다.