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폐열도 전기로 바꾸는 고성능 열전소재 개발

열에너지 ↔ 전기에너지 변환하는 열전발전기술 상용화 물꼬

휴대전화나 노트북 등 전자기기를 장시간 사용하다 보면 손난로에 버금가는 따뜻함을 느낄 수 있다. 365일 제품을 생산하는 공장에서는 어마어마한 양의 열이 발생한다. 이 버려지는 열을 전기에너지로 전환하는 '열전발전'은 새로운 청정 에너지원으로 꼽힌다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 정인 연구위원 팀은 그간 비싼 가격으로 인해 상용화가 어려웠던 고성능 열전소재를 더 저렴하게 제조할 수 있는 기술을 개발했다.


고성능 열전소재가 상용화되면 체온을 이용해 전기를 생산하는 일도 가능해진다. (출처: Libreshot)
▲ 고성능 열전소재가 상용화되면 체온을 이용해 전기를 생산하는 일도 가능해진다. (출처: Libreshot)

열전소재는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 장치다. 전류를 흘리면 발열 및 냉각이 일어나기 때문에 환경에 유해한 냉매를 사용하지 않는 친환경 냉각장치 등에 사용된다. 반대로 온도차를 이용해 자발적으로 전류를 발생시킬 수 있어 공장에서 발생하는 폐열, 신체의 온도, 태양열 등을 모아 전력을 생산할 수도 있다.

열전소재의 효율은 열전도도와 전기전도도에 의해 결정된다. 전기전도도가 높을수록, 열전도도가 낮을수록 성능이 우수하다. 셀레늄화주석(SnSe)은 이 조건을 만족하는 동시에 친환경적이고, 매장량도 풍부해 최적의 재료로 꼽힌다. 단결정 셀레늄화주석의 열전성능지수(열전소재의 성능을 나타내는 지표)는 약 2.6으로 지금까지 보고된 소재 중 최고 수준이다.


다결정 셀레늄화주석의 구면수차보정 주사 투과전자현미경 이미지
▲ 다결정 셀레늄화주석의 구면수차보정 주사 투과전자현미경 이미지

문제는 단결정 셀레늄화주석이 제조가 까다롭고 오래 걸려 대량 생산이 어렵고, 쉽게 부러져 사실상 상용화가 불가능하다는 점이다. 이 때문에 값싼 다결정을 이용해 단결정에 견줄만한 성능을 가진 열전소재를 개발하려는 연구가 이뤄졌지만, 단결정에 비해 열전성능지수가 30% 가량 떨어진다는 한계가 있었다.

연구진은 나노미터(nm) 수준에서 시료를 관찰할 수 있는 '구면수차 보정 주사 투과전자현미경'을 이용해 성능 저하의 원인을 규명했다. 그 결과 다결정 셀레늄화주석 안에 극소량의 산화주석(SnO, SnO2) 나노입자가 존재함을 관찰했다. 산화주석은 셀레늄화주석보다 열전도도가 140배가량 높은 물질로 소재 전체의 열전도도를 향상시켜 성능을 저하시킨 것이다.


연구진은 다결정 셀레늄화주석(왼쪽) 내에 존재하는 극소량의 산화주석 나노입자(빨간 원)가 성능 저하의 원인임을 규명하고, 이어 산화주석 나노입자를 제거해 성능을 향상시키는 데 성공했다.
▲ 연구진은 다결정 셀레늄화주석(왼쪽) 내에 존재하는 극소량의 산화주석 나노입자(빨간 원)가 성능 저하의 원인임을 규명하고, 이어 산화주석 나노입자를 제거해 성능을 향상시키는 데 성공했다.

이어 연구팀은 산화주석 나노입자를 효과적으로 제거하기 위한 방법도 개발했다. 연구진이 셀레늄화주석 분말을 나노크기로 분쇄(볼밀 공정)한 후 저농도 수소가스를 높은 온도에서 흘려 문제가 되는 산화주석을 간단하게 제거했다. 그 결과 연구진은 다결정 셀레늄화주석의 열전도도를 45% 가량 낮춰 단결정 수준으로 만들 수 있었다. 최종적으로 개발된 다결정 열전소재의 열전성능지수는 2.5 이상을 기록했다.

정인 IBS 나노입자 연구단 연구위원(서울대 교수, 왼쪽)과 이용규 연구원
▲ 정인 IBS 나노입자 연구단 연구위원(서울대 교수, 왼쪽)과 이용규 연구원

정 연구위원은 "다결정 열전소재의 성능을 3배가량 높인 것으로, 보고된 모든 다결정 소재 중 가장 우수한 성능을 기록했다"며 "가격과 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용돼온 열전발전기술이 이번 연구를 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다"고 말했다.

연구결과는 '셀(Cell)'의 자매지인 '줄(Joule)' 3월 20일자 최신호에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

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    최종수정일 2019-01-30 19:14