과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 재료연구소(KIMS, 소장 이정환)의 분말세라믹연구본부 기능세라믹연구실 민유호 박사 연구팀은 ㈜LG화학 박철희 박사 연구팀과 공동연구를 통해, 소재 내부의 결함(defect)을 인위적으로 제어해 열적, 전기적 특성을 동시에 조절할 수 있는 소재 설계 기술을 개발했다. 아울러 공동연구팀은 이를 활용해 중고온 영역에서 우수한 열전 변환 특성을 지니는 소재를 개발하는데 성공했다.

 ‘열전’은 열에너지와 전기에너지를 상호 변환할 수 있는 기술을 말한다. 유해한 냉매를 사용하지 않은 친환경 냉각용 부품으로 활용하거나, 산업공장 또는 자동차에서 발생하는 폐열을 활용해 전력을 생산하는 등 열관리 및 에너지 하베스팅 분야에서 폭넓은 응용이 기대되는 차세대 에너지 변환기술로 각광받고 있다.

 현재까지 400~500℃ 중고온 영역에서 우수한 특성을 보이는 소재는 환경적 사용 제약을 지닌 납(Pb)이나 값비싼 게르마늄(Ge) 등을 포함해 상용화에 어려움을 보였다. 이에 연구팀은 친환경 원소만을 활용해 소재 내부의 결함 농도를 조절하고 열적 전기적 특성을 동시에 제어했다. 연구팀은 주석텔루라이드(SnTe) 소재를 중고온용 열전소재로 타깃팅하고, 여기에 안티몬텔루라이드(Sb2Te3)를 추가해 소재 내부의 공공(vacancy) 농도 함량을 조절했다. 또한 공공의 수를 일정 수준 이상으로 증가시켜 고밀도의 1차원 결함인 전위(dislocation)을 생성하고, 이의 농도 제어를 통해 열전소재의 열전도도를 물리적 한계인 비정질 수준으로 낮췄다.

 결함 제어를 통한 소재 설계 기술은 유사한 염화나트륨 결정구조를 가진 다른 열관리 및 신재생에너지용 소재 개발에 손쉽게 활용이 가능하다. 또한 산업 측면에서도 친환경 냉각장치, 자동차 및 공장 폐열을 활용한 전력 생산 등에도 활용할 수 있다는 장점이 있다. 열에너지 하베스팅 및 정밀온도 제어 등 열전변환 신소재 시장은 센서네트워크, 군사, 헬스케어, 기타 산업용 등을 포함해 2022년 기준, 약 7억4천6백만 달러 수준으로 예상되고 있다. 전반적인 열관리 시스템 시장 또한 향후 산업적 파급효과가 크기 때문에 관련 시장은 앞으로 보다 확대될 것으로 기대된다.

 연구책임자인 재료연구소 민유호 선임연구원은 “손쉬운 공정과 친환경 원소의 사용 등 고효율 열-전기에너지 변환소재 개발을 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다.”며, “해당 소재 설계 기술은 열전 분야 이외에도 열적 전기적 물성 조절이 필요한 유사 결정구조를 지닌 소재 개발에 손쉽게 활용될 수 있어 앞으로 활용성이 기대된다.”고 말했다. 이번 연구결과는 에너지 분야의 세계적 학술지인 나노에너지(Nano Energy) 2020년 8월호에 게재됐다.