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)

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

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.

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

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