발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 열전 기술은 열에너지와 전기에너지를 직접적으로 상호 변환하는 기술로, 냉각에 응용되는 펠티어 효과와 발전에 응용되는 제벡 효과로 구분됩니다.

• 열전 기술의 성공은 열전모듈을 구성하는 소재의 성능에 크게 좌우되며, 상용화를 위해서는 정공(hole)이 주된 전하 나르게인 p-type 반도체와 전자가 주된 전하 나르게인 n-type 반도체 소재가 모두 필요합니다.

• 최근 p-type 반도체 특성을 보이는 SnSe(주석-셀레늄) 기반의 MQ계 열전소재가 높은 열전성능지수(ZT)를 기록하며 주목받고 있습니다.

• 그러나 SnSe 칼코겐화합물은 Sn(주석) 원자가 빠져나간 자리인 '주석 공공(Sn vacancy)'의 형성이 열역학적으로 안정하여 대부분 p-type 특성을 보이며, 이를 n-type으로 구현하기 어렵다는 근본적인 문제점이 있습니다. 이로 인해 열전모듈의 열적, 기계적 안정성을 보증하기 어렵습니다.

기술의 필요성

• 안정적인 고효율 열전모듈을 제작하기 위해서는 동일한 소재를 기반으로 하는 p-type과 n-type 열전 레그(leg)로 구성하는 것이 디바이스의 구성 및 작동 온도 범위 설정에 매우 유리합니다.

• 따라서 열전모듈의 실용화 및 상업화를 앞당기기 위해, 기존의 한계를 극복하고 우수한 성능의 n-type 칼코겐화합물 열전소재를 확보하는 것이 필수적입니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 기존 p-type 특성의 MQ계 화합물(예: SnSe)에서 자발적으로 생성되는 양이온 공공(cation vacancy)을 억제하여 n-type 반도체 특성을 구현하는 것을 핵심 원리로 합니다.

• 이를 위해 MQ계 소재의 조성 설계를 변경하여 소재의 전자적 밴드 구조를 제어합니다.

• 핵심 구현 방법으로는 양이온/음이온 치환 및 셀프-도핑(self-doping)을 이용하여 p-type 특성을 n-type으로 변환시킵니다.

구체적인 구현 방법

1. 양이온 치환: p-type 특성의 SnSe 화합물에 15족 원소(P, As, Sb, Bi 등)를 첨가하여(치환하여) 화합물 내 전자밀도를 높여 Sn 공공 생성을 억제합니다. (화학식 1: M1±δ- xAxQ)

2. 양이온/음이온 동시 치환: 15족 원소와 17족 원소(F, Cl, Br, I 등)를 함께 첨가하여(치환하여) 전자를 추가로 생성하고 n-type 특성을 더욱 강화합니다. (화학식 2: M1±δ- xAxQ1 - yZy)

3. 셀프-도핑: 위의 치환 방법과 동시에 과잉(excess)의 Sn을 첨가합니다. 이를 통해 외부 도펀트(dopant) 없이 화합물 자체적으로 Sn 공공 생성을 억제할 수 있습니다.

기술의 장점

• 기존에 구현이 매우 어려웠던 Sn 칼코겐화합물계 소재를 효과적으로 n-type 반도체로 변환할 수 있습니다.

• 상온에서 고온에 이르는 300K ~ 800K의 넓은 작동 온도 범위에서 안정적인 특성을 유지합니다.

• 저비용의 간단한 조성 변경 설계만으로 원하는 반도체 특성을 쉽게 제어할 수 있어 제조 공정의 효율성이 높습니다.

• 기존 중온용 소재를 상온에서도 사용 가능하게 하여 비용 절감, 제조 간소화, 에너지 변환 효율 증대 효과를 기대할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 양이온 치환 방법을 통해 기존 p-type 특성의 SnSe 칼코겐화합물이 n-type 특성으로 성공적으로 변환되는지를 제벡계수(Seebeck coefficient) 측정을 통해 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 실시예 샘플 제조: SnSe 칼코겐화합물에 15족 원소 중 하나를 소정의 양(0<x≤0.1)만큼 첨가하여 SnSe 칼코겐화합물 열전소재 샘플을 제조했습니다.

2. 비교예 샘플 제조: 15족 원소를 첨가하지 않은 순수 SnSe 칼코겐화합물 샘플을 실시예와 동일한 방법으로 제조했습니다.

3. 성능 측정: 제조된 두 종류의 샘플에 대해 온도 변화에 따른 제벡계수 값을 측정하고 비교 분석했습니다.

실험 결과

실험 결과, 아래 그래프에서 볼 수 있듯이 15족 원소를 첨가하지 않은 비교예 샘플은 양(+)의 제벡계수 값을 보여 전형적인 p-type 반도체 특성을 나타냈습니다. 반면, 15족 원소를 첨가한 본 발명의 실시예 샘플은 음(-)의 제벡계수 값을 가져 n-type 반도체 특성이 성공적으로 구현되었음을 명확히 확인할 수 있었습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 전자기기: 플렉서블 고분자 필름 등 다양한 기판에 접목하여 차세대 웨어러블 기기의 자가 발전 전원으로 활용할 수 있습니다.

• 신재생에너지: 태양전지에 적용하여 태양빛(광전효과)과 온도차(열전효과)를 동시에 이용하는 하이브리드 발전에 응용 가능합니다.

• 첨단 센서: IR/UV 디텍터 및 열전 기술에 기반한 다양한 고감도 센서로 개발될 수 있습니다.

• 폐열 회수 시스템: 자동차, 공장, 항공기, 선박 등 다양한 산업 현장에서 발생하는 막대한 양의 폐열을 유용한 전기에너지로 회수할 수 있습니다.

• 고성능 냉각 솔루션: 컴퓨터 CPU, 반도체 순환기, 광학센서, 김치냉장고 등 정밀한 온도 제어가 필요한 분야의 핵심 냉각 부품으로 사용될 수 있습니다.

기대효과

• 비독성, 비희귀 원소 기반의 고성능 열전소재를 구현하여 지속가능한 친환경 에너지 기술을 확보할 수 있습니다.

• p-type과 n-type 소자를 동일 소재 기반으로 제조함으로써 열전모듈의 안정성과 신뢰도를 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

• 열전모듈의 실용화 및 상업화 가능성을 증대시켜 다양한 응용 분야에서 새로운 부가가치와 시장을 창출할 수 있습니다.

• 고효율(ZT값 2 이상) 열전소자가 개발될 경우, 연간 수십억 달러에 달하는 첨단 전자제품 냉각칩 시장에 진입할 수 있을 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전 세계 열전발전소자 시장은 폐열 회수, 휴대용 전원 및 무선 센서 네트워크 등 다양한 분야에서 활용되며 지속적인 성장이 기대됩니다.

• 2029년 전 세계 열전발전소자 시장은 연평균 8.2% 성장하여 10억 1,800만 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

글로벌 열전소자 시장에서는 북미와 유럽의 기업들이 높은 기술력을 바탕으로 시장을 선도하고 있으며, 국내에서도 다수의 기업들이 기술 개발에 참여하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 에너지 효율 규제 강화: 전 세계적으로 에너지 효율 향상 및 탄소 배출 감소 정책이 강화되면서, 버려지는 열을 재활용하는 폐열 회수 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

2. 사물인터넷(IoT) 및 무선 센서 확산: 자가 발전이 가능한 전원이 필수적인 IoT 기기 및 무선 센서 네트워크(WSN) 분야가 급성장하면서, 열전소자가 핵심 전원 솔루션으로 주목받고 있습니다.

3. 첨단 산업의 발전: 고성능 컴퓨팅, 자율주행차, 바이오/의료 기기 등 정밀한 열 관리가 중요한 첨단 산업이 발전함에 따라 고효율 열전 냉각 기술의 수요가 빠르게 증가하고 있습니다.