효율 2배↑..국내 연구진, 최고 성능 '열전소재' 개발

[이데일리 이승현 기자] 체온이나 자동차 폐열 등으로 전기를 만드는 기술은 미래 에너지원으로 각광받고 있지만 아직 효율의 한계에 부닥쳐 있다. 국내 연구진이 열을 전기로 전환하는 ‘열전(熱電) 소재’ 효율을 이전보다 2배나 향상시켜 이 기술의 상용화를 앞당기는 계기를 마련했다.

김성웅 IBS 연구위원

김성웅 기초과학연구원(IBS) 연구위원(성균관대 교수) 연구팀은 열전소재인 ‘비스머스-안티모니-텔루라이드’(Bi-Sb-Te)를 액상소결법으로 가공, 상온에서 열전변환 성능(zT)을 기존 최고치(1.0)보다 2배 높은 2.0으로 만들었다고 3일 밝혔다. 이 수치는 세계 최고 성능으로 꼽힌다.

연구결과는 세계 최고 권위의 과학 학술지인 ‘사이언스’(Science) 이날자에 실렸다.

현재 열전소재의 성능은 열을 감지해 전기신호를 발생시키는 수준으로 전기 대량생산과는 거리감이 있다. 때문에 미사일 열추적 장치 등 군사적 목적으로 사용될 뿐 웨어러블 소재로서 본격 이용되지는 못하고 있다.

하지만 연구팀은 새로운 방식의 가공법인 액상소결법을 적용했다. 이 기법으로 열전소재의 입계면에 고밀도 전위배열을 형성해 물질의 열 전달에 기여하는 중파장 영역의 ‘포논’(음향양자)을 산란시켜 열 전도도를 물리적 한계수준으로 낮추는 데 성공했다.

아울러 비스머스-안티모니-텔루라이드가 쉽게 구할 수 있는 물질이고 액상소결법은 산업적으로 대량생산이 가능한 공법인만큼 이 방법으로 우수한 효율의 열전소재를 양산할 수 있다고 강조했다.

김성웅 연구위원은 “다른 종류의 열전소재에도 (이번 연구 기법을) 적용할 수 있어 앞으로 열전에너지 기술과 응용분야 효율을 획기적으로 높일 것으로 기대된다”고 말했다.

연구팀은 앞으로 물질의 안정도 테스트와 공정 테스트 등을 거친 뒤 모바일 단말기 전원용으로 열전소자를 상용화하겠다는 계획이다.

연구에는 교신저자로 김 위원과 함께 김상일 삼성전자 종합기술원 전문연구원이 참여했다. 이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 공저자로 이름을 올렸다.

논문제목은 ‘결정립 내 고밀도 전위 배열을 포함한 고효율 벌크 열전 소재’(Dense dislocation arrays embedded in grain boundaries for high-performance bulk thermoelectrics)

성웅 기초과학연구원(IBS) 연구위원(