발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 열과 전기를 직접 변환하는 열전 기술은 지속 가능한 에너지 생성 수단으로 주목받고 있습니다.

• 최근 다양한 열전 소재가 제안되었으나, 기존 소재들은 조성 한계, 열 안정성, 상 균일성 등에서 문제를 보이며, 이로 인해 열전 성능 개선에 한계가 있었습니다.

• 기존의 고온 고상 반응법으로 제조된 Bi-Te 화합물은 과잉 텔루르(Te)를 포함할 경우, 가열 시 분해되어 안정성이 떨어지는 문제점을 가집니다.

기술의 필요성

• 이러한 문제점을 해결하고 에너지 변환 효율을 극대화하기 위해, 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 조성과 우수한 물성을 갖는 신규 열전 반도체 화합물의 개발이 시급히 요구됩니다.

• 특히, 과잉 원소를 포함하면서도 높은 열 안정성과 상 균일성을 유지할 수 있는 혁신적인 합성 방법의 개발이 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 화학식 Bi2Te3+x (0<x<1)를 갖는 신규 Bi-Te 화합물에 관한 것입니다. 이 화합물은 상태도를 벗어나는 과잉 텔루르(Te)를 포함하지만, 나노화학적 합성법을 통해 매우 안정적인 구조를 가집니다.

• 핵심 원리는 Te 나노로드에 결합된 PVP(polyvinylpyrrolidone) 리간드를 확산 장벽으로 사용하여 Bi와 Te의 반응 속도를 제어하는 것입니다.

• 이 과정에서 Te 이온의 외부 확산이 Bi 이온의 내부 확산보다 빠르게 일어나는 '커켄달 효과(Kirkendall effect)'가 발생하여, 속이 빈 할로우(hollow) 구조의 Bi-Te 나노튜브가 형성됩니다.

구체적인 구현 방법

1. Te 나노로드 형성: 에틸렌 글리콜 용매에 TeO2, PVP, KOH를 혼합 및 반응시켜 PVP 리간드가 결합된 Te 나노로드를 형성합니다.

2. Bi 전구체 용액과 반응: 형성된 Te 나노로드를 Bi 전구체 용액과 150 ~ 170℃ 온도에서 반응시켜 Bi-Te 나노튜브를 합성합니다.

3. 벌크 펠렛 제조 (선택): 합성된 Bi-Te 나노튜브에 SPS(Spark Plasma Sintering) 공정을 적용하여 고밀도의 벌크 펠렛 형태로 제작할 수 있습니다. 이 과정에서 잔존하는 PVP 리간드는 제거됩니다.

4. 알칼리 금속 도핑 (선택): Bi-Te 나노튜브를 KOH 등과 반응시켜 칼륨(K)과 같은 알칼리 금속을 도핑함으로써 열전 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. (예: K-Bi-Te 화합물)

기술의 장점

• 뛰어난 안정성 및 상 균일성: 과잉 Te를 포함함에도 불구하고, 680K 이상의 고온에서도 무게 손실이 거의 없는 높은 열 안정성과 단일 용융점을 보이는 우수한 상 균일성을 가집니다.

• 향상된 열전 성능: 칼륨이 도핑된 K0.06Bi2Te3.18 벌크 펠렛의 경우, 323K에서 약 42.8 ㎼cm⁻¹K⁻²라는 높은 역률(Power Factor)을 나타내며, 350K에서는 1.14에 달하는 높은 열전성능지수(ZT)를 기록했습니다.

• 낮은 격자 열전도도: 도핑된 칼륨으로 인해 발생하는 다양한 구조적 변위는 포논(phonon) 산란을 증가시켜 격자 열전도도를 크게 낮춥니다. 이는 열전 성능 지수(ZT)를 높이는 핵심 요인입니다.

• 다양한 형태 제작 가능: 나노튜브, 나노입자, 벌크 펠렛 등 다양한 형태로 제작이 가능하여 응용 분야에 따라 유연하게 적용할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 새롭게 개발된 나노화학적 합성법으로 제조된 Bi-Te 화합물(Bi2Te3.14) 및 칼륨 도핑 화합물(K0.06Bi2Te3.18)이 기존의 고온 고상 반응법으로 제조된 화합물(Bi2Te3, K0.02Bi2Te3)에 비해 구조적 안정성과 열전 특성 면에서 얼마나 우수한지를 정량적으로 비교하고 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 시료 준비: 본 발명에 따른 Bi2Te3.14, K0.06Bi2Te3.18 시료와 비교예를 위한 Bi2Te3, K0.02Bi2Te3 시료를 각각 제조하고, 모두 SPS 공정을 통해 벌크 펠렛 형태로 가공했습니다.

2. 구조적 특성 분석: XRD(X선 회절), TGA(열중량 분석), DSC(시차 주사 열량측정) 분석을 통해 각 시료의 상 균일성과 열 안정성을 비교했습니다.

3. 열전 특성 측정: 300K ~ 470K의 온도 범위에서 각 시료의 제벡 계수(Seebeck coefficient), 전기 전도도(electrical conductivity), 역률(power factor), 열전도도(thermal conductivity)를 측정하고, 최종적으로 열전성능지수(ZT)를 계산하여 비교했습니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명을 통해 제조된 K0.06Bi2Te3.18 벌크 펠렛은 비교예 시료들뿐만 아니라, 도핑하지 않은 Bi2Te3.14 벌크 펠렛에 비해서도 모든 면에서 월등한 열전 성능을 보였습니다. 특히 역률(PF)과 최종 성능 지표인 열전성능지수(ZT)에서 큰 폭의 성능 향상을 확인할 수 있었습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 폐열 회수 발전: 자동차 배기 가스, 산업 공정 폐열 등 버려지는 열에너지를 회수하여 전기를 생산하는 시스템에 적용할 수 있습니다.

• 자율 전원 공급 장치: 웨어러블 기기, IoT 센서, 무선 센서 네트워크(WSN) 등에 체온이나 주변의 미세한 온도차를 이용해 자체적으로 전력을 공급하는 자가발전 전원으로 활용 가능합니다.

• 특수 환경용 전원: 우주선, 군용 비상 발전기, 극지용 자가 발전기 등 극한 환경에서 신뢰성 높은 독립 전원으로 사용될 수 있습니다.

• 전기차 및 냉각/난방: 전기자동차의 에너지 효율을 높이기 위한 열 관리 시스템 및 반도체, 광학 장비 등의 정밀 냉각 장치에 적용할 수 있습니다.

기대효과

• 에너지 효율 증대: 산업 및 생활 전반에서 버려지는 폐열을 유용한 전력으로 전환함으로써 국가적 에너지 효율을 높이는 데 기여합니다.

• 신시장 창출: 고성능 열전소재의 상용화는 에너지 하베스팅, 자율 전원 센서, 차세대 열 관리 솔루션 등 새로운 시장을 창출하고 선점할 기회를 제공합니다.

• 기술 경쟁력 확보: 기존 소재의 한계를 극복한 원천 기술 확보를 통해 차세대 열전 반도체 분야에서 글로벌 기술 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

열전 기술 관련 시장은 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 세계 열전 발전기 시장은 2015년 2억 7,900만 달러에서 연평균 13.8% 이상 성장하여 2021년 6억 1,000만 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다. [출처]

• 에너지 하베스팅 시장: 전체 에너지 하베스팅 시장은 2022년 5조 원 규모로 성장이 전망되며, 이 중 열전 기술은 약 14%를 차지할 것으로 예상됩니다.

• 열전 에너지 하베스팅 시장은 2022년 7억 4,600만 달러 규모로, 연평균 37.1%의 폭발적인 성장률을 보일 것으로 예측됩니다. [출처]

• 특히 무선 센서 네트워크(WSN)용 시장은 연평균 139.2%라는 경이로운 성장률을 기록할 것으로 보입니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 열전소재 시장은 고신뢰성 기존 소재를 활용한 상용화에 집중하는 선진국 기업들과, 신소재 개발 및 응용 제품 발굴에 나서는 국내 대기업들이 경쟁 및 협력하는 구도를 보이고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 에너지 패러다임 전환: 에너지 단가 상승과 탄소세 도입 등은 신재생 및 친환경 에너지에 대한 필요성을 증대시키고 있으며, 이는 에너지 재순환 및 미활용 에너지 회수 기술인 열전 기술에 큰 기회가 되고 있습니다.

2. 기술 발전: 나노기술의 발전과 신소재·공정 기술 개발은 열전 소자의 효율을 지속적으로 향상시키고 있으며, 이는 과거 특수 분야에 한정되었던 응용 범위를 산업 전반으로 확대하는 원동력이 되고 있습니다.

3. 전방 산업의 수요 증가: 전기차, 데이터 센터, 5G 인프라, IoT 등 고성능 열 관리가 필수적인 첨단 산업의 급격한 성장은 고효율 열전 소재에 대한 수요를 폭발적으로 증가시키고 있습니다. [출처]