세계 최고 성능의 열전소재 나왔다

IBS 나노구조물리연구단 ‘사이언스’ 발표
전기전도도와 열전도도의 상충관계 극복, 에너지 변환 성능 높여

최근 자동차의 엔진이나 배기가스에서 생기는 폐열을 전기로 바꾸거나 사람의 체온을 이용해 모바일 기기의 배터리를 충전할 수 있는 기술이 주목받고 있다. 이는 바로 열과 전기를 상호 변환할 수 있는 열전기술이다. 열전기술을 상용화하기 위해서는 소재의 열전 성능이 좋아야 한다.

기초과학연구원(IBS) 연구진이 버려지는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있는 세계 최고 성능의 열전소재를 개발했다. 제조 방식이 간단하고 대량 생산이 가능해 차세대 친환경․재생에너지 기술의 혁신을 이끌 것으로 전망된다.

최고 효율의 비결은 경계면에 형성시킨 결함

기초과학연구원 나노구조물리연구단 연구팀이 성균관대, 삼성전자종합기술원과 함께 세계 최고 성능의 열전소재 비스머스 안티모니 텔루라이드를 제조해 ‘사이언스’ 4월 3일자에 발표했다.

연구진은 대표적인 열전소재인 비스머스 안티모니 텔루라이드(Bi0.5Sb1.5Te3)를 새로운 금속공학적 방법으로 열전 성능 지수를 대폭 높이는 데 성공했다. 열전 성능 지수는 열전 소재의, 열과 전기 사이의 변환 성능을 나타나는데, 기존에 1.2 수준에 머물렀던 이 소재의 열전 성능 지수를 상온(320K, 약 47℃)에서 2.0까지 끌어올렸다.
열전 소재를 구성하는 금속의 경계면을 정교하게 조절하는 방식으로 전기 전도도는 높이고 열 전도도는 최대한 낮춰 세계 최고 효율을 달성한 것이다.

연구진이 비스머스 안티모니 텔루라이드의 열전 성능을 세계 최고 수준으로 높일 수 있었던 비결은 새로 개발한 액상 소결법에 있다. 소결법은 금속가루에 열과 압력을 가해 덩어리로 만드는 기술로 이를 활용하여 전자는 잘 이동하고 열은 잘 통하지 않는 특수한 성질을 구현해 냈다.

자동차 폐열뿐 아니라 체온에서 전기 생산 가능(미래 모바일 기기의 전원에 활용 가능)

이번 성과는 기존 물리학, 재료학에서 불가능하다고 믿어 왔던, 전기전도도와 열전도도의 상충관계를 극복하고, 이에 따라 열전 에너지 변환 성능을 상온에서 세계 최고 수준을 달성한 것이라는 평가를 받고 있다.

김성웅 연구위원은 “이번 연구는 산업적으로 대량생산이 가능한 금속공학적 소결공정을 이용해 세계 최고 효율의 에너지 변환 열전소자를 구현했다는 데 의의가 있다”며 “다른 여느 열전소재에도 적용할 수 있어 앞으로 열전 에너지 기술 및 응용 분야 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

사람의 체온, 자동차 폐열 등을 이용해 전기를 생산하는 데나 미래 모바일 기기의 전원에 활용할 수 있을 것이다. 앞으로 실용화를 위해서는 물질의 안정도 테스트, 공정 테스트 등 공학적 측면의 문제를 해결해야 할 것으로 예상된다.

- IBS 대외협력실 -