KIST, 자유자재로 열-전기 변환하는 열전소재 개발

[이데일리 이연호 기자] 한국과학기술연구원(KIST)은 전자재료연구단 김성근·김진상 박사 연구팀이 최신 반도체 공정을 접목해 주변의 열을 직접 전기 에너지로 변환하거나 전기를 가해 온도를 변화시킬 수 있는 열전 소재의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

산화아연층/열전재료 제조 공정. 분말 열전 재료에 원자층 증착 공정을 통해 산화아연층을 형성한 후 가압 소결 과정을 거쳐 열전 잉곳을 제작하는 공정 모식도. 그림=KIST.

주변의 열을 직접 전기 에너지로 변환하거나 전기를 가해 온도를 변화시킬 수 있는 ‘열전 재료’는 최근 폐열 수거 및 지속 가능한 발전 에너지로 주목을 받고 있다. 특히 주변의 열을 이용한 열전 발전 기술은 부가적인 장치 없이 직접 전기를 생산 할 수 있어 신뢰성 있는 전력원으로 사용될 수 있다. 냉온 정수기, 와인 냉장고 등에 쓰이며 최근 웨어러블 기기의 자가 전원으로도 관심을 끌고 있다. 하지만 현재까지 개발된 열전 재료는 발전 효율이 낮아 널리 쓰이지 못하고 있었다.

KIST 연구진은 기존 분말 형태의 열전 반도체인 ‘비스무스-텔루라이드’(Bi-Te) 소재에 최신 반도체 나노 공정인 원자층 증착법을 접목했다. 원자층 증착법은 대량의 분말 재료에 대해 균일한 코팅을 가능하게 하는 증착 기술로 수 나노 두께의 얇은 산화 아연층을 증착해 열전 재료의 성능을 기존 대비 50% 이상 향상 시켰다.

비스무스 텔루라이드는 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 갖고 있다. 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)은 반도체 제조 공정 중 화학적으로 달라붙는 단원자 층의 현상을 이용한 나노 박막 증착 기술이다.

이번에 접목한 원자층 증착법은 기존 분말 열전 재료 제조 공정에 적용이 유리하다는 장점이 있다. 열전 재료 제조 분야에 널리 사용 가능하고 재현성 높은 나노 기술 접목 공정을 제공해 열전재료의 대량 생산에 널리 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

KIST 김성근 박사는 “이번 성과는 실제 양산에서 이용되는 반도체 공정을 접목해 양산 가능한 나노 기술로 열전 성능을 향상시켰다는 점에서 큰 의의가 있다”며 “앞으로 열전 반도체 소재 개발에 있어 중요한 계기가 될 것”이라고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 나노소재분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재됐다.