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#1. 열과 전기에너지의 상호변환 효율을 극대화해 신소재 기술 개발 성공!

#2. 열에너지 하베스팅 및 정밀온도 제어분야 열전에너지 변환 소재 원천기술 선점!

□ 재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 분말/세라믹연구본부 김경태 박사 연구팀이 원자단위 규모의 결함을 제어해, 열과 전기에너지의

     상호변환 효율을 향상시키는 소재와 공정기술을 세계 최초로 개발했다.

ㅇ 개발된 기술은 원자단위 결함들을 나노미터 크기의 영역에 인공적으로 모아 열전소재의 물성을 좌우하는 ‘전자’와 열전달

      매개체로서의 ‘포논’의 이동을 원천적으로 제어하는 신소재 기술이다.

□ 지금까지의 기술은 열전소재 내에 형성되는 원자단위 결함의 존재와 그 영향에 대한 기본적인 이해에 치중했을 뿐, 긍정적인

     효과를 보이는 원자결함만을 선택적으로 활용해 구조체로 제조하는 기술로까지 확장시키지는 못했었다.

□ 연구팀은 원자단위 결함을 선별적으로 나노미터 크기 영역으로 결집시키는 결함 엔지니어링 기술을 통해, 고효율 에너지

     변환의 성능을 갖는 열전소재를 개발했다.

ㅇ 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.

ㅇ 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 연구는 재료연구소 주요사업 ‘준안정 미세구조 기반 소재물성제어 원천기술 개발’과제와 한국연구재단의 글로벌프론티어사업

      ​‘파동에너지극한제어연구단’, ‘하이브리드계면연구단’및 나노소재원천기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

□ 또한 연구 성과는 에너지 분야에서 저명한 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’의 2019년 1월호에 게재됐으며, 연구팀은

     열전분말 및 소재 제조기술에 관한 연구결과를 지적재산권으로 확보했다.