제조는 간단, 성능은 세계 최고인 열전소재 나왔다

- 사이언스誌 게재, 차세대 친환경 재생에너지 핵심 기술 될 것 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노구조물리연구단(단장 이영희) 연구팀이 성균관대학교, 삼성전자 종합기술원과 공동으로 세계 최고 성능의 상온 열전1)(熱電, thermoelectrics) 소재를 개발하는데 성공했다. 제조 방식이 간단하고 대량생산이 가능해 차세대 친환경․재생에너지 기술 혁신을 이끌 것으로 전망된다.

 ㅇ 열전은 열 에너지와 전기 에너지를 상호 변환할 수 있는 기술이다. 폐열을 활용하여 자동차의 효율을 높이거나 체온을 모바일 기기의 전원으로 활용하는 등 폭넓은 응용이 기대되는 분야이다.

 ㅇ 열전 기술의 상용화를 위해서는 소재의 열과 전기 간 변환 성능을 나타내는 zT(열전 성능지수) 값을 높이는 것이 가장 중요하며 이를 대용량 소재에 쉽게 적용할 수 있어야 한다.

 ㅇ 연구진은 기존 1.2 수준에 머물러 있던 zT값을 2.0까지 획기적으로 끌어 올렸다. 열전 성능으로는 세계 최고수준이며, 제조법 또한 간단하여 대량생산이 가능한 장점을 지녔다. (그림1 참조)

□ 이번 연구결과는 미국과학진흥협회(AAAS)가 발간하는 세계 최고권위의 전문과학저널 사이언스2)(Science, IF 31.48)에 4월 3일(미국동부시 4.2.(목) 14:00, 한국시간 4.3.(금) 새벽 03:00) 게재되었다.

* (논문제목) 결정립 내 고밀도 전위 배열을 포함한 고효율 벌크 열전 소재

(Dense dislocation arrays embedded in grain boundaries for high-performance bulk thermoelectrics)

* (제1저자) 김상일 삼성전자 종합기술원 전문연구원, 이규형 강원대학교 나노응용공학과 교수, 문현아 성균관대학교 에너지과학과 박사과정

* (교신저자) 김성웅 IBS 나노구조물리연구단(성균관대학교 에너지과학과 교수)

김상일 삼성전자 종합기술원 전문연구원

* (공 저 자) 이영희 IBS 나노구조물리연구단장(성균관대학교 에너지과학과, 물리학과 교수)

 □ 연구진은 새로 개발한 금속공학적 액상 소결법3)으로 세계 최고 성능의 상온 열전소재 비스머스 안티모니 텔루라이드4)(Bi0.5Sb1.5Te3)를 제조하였다. (그림2 참조)

 ㅇ 연구진은 고밀도의 전위배열5)을 입계면6)에 형성시키는 방법으로 열전도도를 물리적 한계수준까지 낮출 수 있었다.

 ㅇ 열전도도의 감소는 열전 변환성능을 획기적으로 높여 상온에서 zT 2.0이 넘는 세계 최고 수준의 결과를 얻었다.

 ㅇ 지금까지 상용화된 열전소재의 zT값이 1.0~1.2 정도였다는 점을 감안하면 두 배 가까이 성능을 높인 것이다.

 ㅇ 이로써 소재의 낮은 효율로 인해 제한적으로 활용되어 온 열전변환 기술을 보다 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 김성웅 IBS 나노구조물리연구단 연구위원(성균관대 에너지과학과 교수)은 “이번 연구는 산업적으로 대량생산이 가능한 금속공학적 소결공정을 이용하여 세계 최고 효율의 에너지 변환 열전 소자를 구현한 데 의의가 있다”며 “다른 여느 열전소재에도 적용이 가능하여 열전 에너지 기술 및 응용분야 효율을 획기적으로 높일 것으로 기대된다”고 소감을 밝혔다.

[붙임] 1. 연구결과 개요 2. 용어설명 3. 연구결과 문답 4. 그림설명 5. 연구진 이력사항