재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 분말/세라믹연구본부 김경태 박사 연구팀이 원자단위 규모의 결함을 제어해, 열과 전기에너지의 상호변환 효율을 향상시키는 소재와 공정기술을 세계 최초로 개발했다. 개발된 기술은 원자단위 결함들을 나노미터 크기의 영역에 인공적으로 모아 열전소재의 물성을 좌우하는 ‘전자’와 열전달 매개체로서의 ‘포논’의 이동을 원천적으로 제어하는 신소재 기술이다.

 열전소재가 우수한 에너지 변환 성능을 갖기 위해서는 서로 양립하기 어려운 ‘낮은 열전도성’과 ‘높은 전기적 특성’을 동시에 확보할 수 있어야 한다. 특히, 열전소자의 성능은 소재의 물성에 크게 좌우되기 때문에 열전 산업화를 위한 고효율 소재 개발은 핵심적인 이슈이다. 하지만 기존의 마이크론 스케일 기반의 소재 합성방법으로는 원자단위 규모에서 이해할 수 있는 전자나 포논의 이동 특성을 원천적으로 제어하는데 기술적인 어려움이 존재했다.

 연구팀은 열전소재에서 자연적으로 발생되어 물성저하의 원인으로 지목되던 원자결함들을 원하는 영역에 일정한 크기로 결집시켜 소재의 전기적 물성 향상과 열전도도 저감을 동시에 확보하는데 성공했다. 그 결과, 기존 소재와 비교해 최소 1.6배 이상 향상된 열전에너지 변환 물성을 확보했을 뿐만 아니라, 100℃ 정도의 온도 차이로부터 최대 발전효율 약 8%를 획득할 수 있었다.

 본 기술이 열과 전기에너지의 상호변환 소자에 적용될 경우, 배ㆍ폐열을 이용한 발전, 전기를 이용한 냉각/가열 시스템 분야의 소재와 소자, 그리고 모듈 시장 확대 등에 핵심소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 모바일기기용 체열발전장치와 각종 센서용 전원공급 장치는 물론, 차량과 가정용 냉/온장치(무소음 냉장고, 와인셀러, 정수기 등) 등에 적용이 가능하다.

 열전변환 신소재 시장은 열에너지 하베스팅 및 정밀온도 제어기기 등을 모두 포함한다. 헬스케어, 센서네트워크, 국방용 등 열전소자 및 시스템 관련 시장의 규모는 세계적으로 ’22년 기준 약 7억4천만불 수준으로 예상되고 있어, 시스템 시장 성장에 따라 소재 시장의 동반 성장이 함께 기대된다. 따라서, 본 기술 개발을 통해 수입에 의존하고 있는 열전소재의 고부가가치화 및 수입 소재의 대체도 가능할 것으로 전망된다.

 연구책임자인 재료연구소 김경태 책임연구원은 “본 기술은 열전소자의 성능 향상을 위한 원천소재기술 성격이 강할 뿐더러 종래의 분말야금 공정을 그대로 사용하기 때문에, 열전소재의 고부가가치화와 공정 기술의 실용화 측면에서 큰 의미를 가진다.”라고 말했다.

 본 연구 성과는 에너지 분야에서 저명한 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’의 2019년 1월호에 게재됐다.