발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 열전 재료는 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 기술로, 변환 효율은 열전성능지수(ZT)로 평가됩니다.

• 기존의 단결정 SnSe계 열전 재료는 ZT 값이 2.5 이상으로 매우 우수하지만, 제조 비용이 비싸고 대량 생산이 어려운 한계를 가집니다.

• 이를 극복하기 위한 다결정 SnSe계 열전 재료는 단결정보다 열전도율이 높고 ZT 값이 낮아 성능이 현저히 떨어지는 문제점이 있었습니다.

기술의 필요성

• 기존 다결정 소재의 성능 저하 원인은 분말 표면에 자발적으로 형성되는 주석 산화물(SnO, SnO2)입니다. 이 산화물층은 열 전도도를 높이고 전기 전도도를 감소시켜 열전 성능을 저해합니다.

• 따라서 단결정 수준의 우수한 성능을 가지면서도 대량 생산이 가능한 새로운 다결정 열전 재료를 개발하기 위해, 성능 저하의 원인인 표면 산화물을 효과적으로 제거하는 기술이 필수적이었습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명의 핵심 원리는 다결정 SnSe계 화합물 분말을 환원 처리하여 표면의 주석 산화물을 제거하는 것입니다.

• 특히, 볼 밀링(분쇄) 처리를 통해 분말의 표면적을 넓힌 후 환원 처리를 진행하여 산화물 제거 효율을 극대화합니다. 이를 통해 재료 고유의 우수한 열전 특성을 발현시킬 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. p-타입 SnSe 화합물 잉곳(Ingot)을 합성합니다.

2. 잉곳을 분쇄하여 미가공 파우더를 제조합니다.

3. 미가공 파우더에 볼 밀링 처리(BM)와 환원 처리(RD)를 순차적으로 적용하여 최종 BR(Ball-milled & Reduced) 파우더를 얻습니다.

4. 환원 처리는 4% H2 가스 환경에서 613K 온도로 6시간 동안 수행하여 표면 산화물을 제거합니다.

5. 제조된 BR 파우더를 방전 플라즈마 소결(SPS) 방식으로 고밀도 펠릿 형태로 고형화하여 최종 열전 재료를 완성합니다.

기술의 장점

• 초저 열 전도도 달성: 처리된 BR 샘플은 773K에서 약 0.11 W/mK의 매우 낮은 격자 열 전도도를 보여, 기존 단결정 SnSe 재료(약 0.20 W/mK)보다 우수한 특성을 보입니다.

• 세계 최고 수준의 열전성능지수(ZT) 확보: 773K에서 ZT 값 약 2.5를 달성하여, 기존 단결정 및 다결정 재료의 성능을 뛰어넘는 세계 최고 수준의 효율을 기록했습니다.

• 우수한 전기적 특성: 표면 산화물 제거를 통해 캐리어 이동성을 향상시켜 전기 전도도와 제벡 계수를 동시에 향상시켰습니다.

• 대량 생산 가능성: 볼 밀링, 환원 처리 등 확장 가능한 분말 공정을 기반으로 하므로, 고비용의 단결정 성장 공정 없이도 고성능 열전 재료를 경제적으로 대량 생산할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 다결정 SnSe계 화합물에 볼 밀링 및 환원 처리를 적용했을 때, 재료의 미세구조, 화학적 조성, 그리고 최종 열전 특성(열 전도도, 전기 전도도, ZT 등)에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 총 4가지 종류의 샘플(미가공, BM, RD, BR)을 준비하여 각 처리 공정이 재료에 미치는 영향을 비교 분석했습니다.

2. STEM, XPS 분석을 통해 환원 처리에 따른 분말 표면의 산소 몰비 감소(BM: 64.8% → BR: 3.8%)와 SnO2 감소를 확인했습니다.

3. 온도 변화(300K ~ 773K)에 따른 각 샘플의 열 전도도, 전기 전도도, 제벡 계수를 측정하여 최종 열전성능지수(ZT)를 계산하고 비교했습니다.

실험 결과

실험 결과, 볼 밀링과 환원 처리를 모두 적용한 BR 샘플이 다른 샘플들에 비해 모든 열전 특성 면에서 압도적으로 우수한 성능을 보였습니다. 주요 성능 지표는 아래 표와 같습니다.

특히 핵심 성능 지표인 열전성능지수(ZT)는 773K에서 약 2.5에 도달하여, 단결정 SnSe의 최고 성능을 뛰어넘는 결과를 달성했습니다. 이는 본 기술이 기존의 한계를 극복하고 상용화 가능성을 입증했음을 의미합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 산업 폐열 발전: 발전소, 제철소 등 막대한 폐열이 발생하는 산업 현장에서 버려지는 열을 회수하여 전력을 생산합니다.

• 자동차 폐열 회수: 내연기관 및 전기차의 엔진, 배터리, 배기 시스템에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 연비 및 전력 효율을 높입니다.

• 자율 전원 공급 장치: 외부 전원 공급이 어려운 무선 센서 네트워크(WSN), IoT 기기, 웨어러블 디바이스 등의 자율 전원으로 활용됩니다.

• 차세대 냉각 시스템: 반도체, 데이터센터, 전기차 배터리 등의 정밀 온도 제어를 위한 고효율 솔리드 스테이트 냉각 기술에 적용됩니다.

기대효과

• 경제적 효과: 고효율 열전 소재의 대량 생산 기반을 마련하여, 수백조 원 규모로 예상되는 폐열 회수 및 에너지 하베스팅 시장을 선점할 수 있습니다.

• 기술적 파급효과: ZT>2 시대를 열어, 기존에 경제성이 부족했던 다양한 산업 분야에 열전 기술 적용을 가속화하고, 차세대 에너지 기술 분야에서 초격차 기술 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

• 환경적 효과: 버려지는 폐열을 유용한 에너지로 재활용함으로써 화석 연료 의존도를 낮추고 국가 온실가스 감축 목표 달성 및 탄소 중립 실현에 기여합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

열전 기술은 에너지 절감이라는 시대적 요구에 부응하며 산업 전반에 걸쳐 활용이 확대되고 있습니다. 특히, 열을 이용한 에너지 하베스팅 시장은 폭발적인 성장이 기대되는 분야입니다.

• IDTechEx에 따르면, 열전소자를 활용한 에너지 하베스팅 시장은 2022년 7억 4,600만 달러 규모에 이르렀으며, 2012년부터 연평균 37.1%의 높은 성장률을 기록했습니다.

• 열전 성능 지수(ZT)가 본 기술처럼 2를 넘어서면, 자동차, 산업 폐열 회수 등 거대 시장으로의 확대가 가속화되어 시장이 폭발적으로 성장할 것으로 전망됩니다.

(출처: koreascience.kr, fortunebusinessinsights.com, IDTechEx)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

고효율 열전 소재 시장은 아직 초기 단계로, 전 세계 유수의 연구 기관과 소수의 전문 기업들이 기술 개발을 주도하고 있습니다. 대부분의 기술이 아직 기초 연구 수준에 머물러 있어, 본 발명과 같이 상용화 가능한 수준의 ZT 값을 달성하고 대량 생산 공정까지 확보한 기술은 시장에서 강력한 기술적 우위를 점할 수 있습니다. 향후 전기차, 데이터센터, 5G 인프라 등 신흥 시장의 성장에 따라 대형 냉각 솔루션 기업 및 소재 기업들의 시장 진입이 활발해질 것으로 예상됩니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 에너지 효율 증대 및 탄소 중립 목표: 전 세계적인 친환경 정책 기조에 따라, 버려지는 에너지를 재활용하는 폐열 회수 기술에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

2. 전기차, 데이터센터 등 신산업의 성장: 배터리 열 관리, 고성능 칩 냉각 등 효율적인 열 관리가 필수적인 산업이 빠르게 성장하며 고성능 열전 소재 시장의 성장을 견인하고 있습니다.

3. 기술적 성숙도 증가: ZT > 2.0 이상의 고효율 소재가 등장함에 따라, 이전에는 경제성이 부족했던 응용 분야까지 시장이 확대될 수 있는 결정적인 기회 요인이 마련되었습니다.