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버려지는 폐열도 전기로 바꾸는 소재 상용화 성큼…더 저렴하게 친환경∙고성능 열전소재 개발

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2019년 03월 19일 13:49 프린트하기

정인 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀이 버려지는 폐열을 전기로 바꾸는 친환경∙고성능 열전소재를 기존보다 더 저렴하게 고성능으로 제조할 수 있는 기술이 개발했다. 상용화에 한 발자국 더 나아갔다는 평가다. 기초과학연구원 제공.
정인 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀이 버려지는 폐열을 전기로 바꾸는 친환경∙고성능 열전소재를 기존보다 더 저렴하게 고성능으로 제조할 수 있는 기술이 개발했다. 상용화에 한 발자국 더 나아갔다는 평가다. 기초과학연구원 제공

버려지는 폐열을 전기로 바꾸는 친환경 열전 소재를 저렴하게 제조하는 기술이 국내에서 개발됐다. 고성능 친환경 열전소재 상용화에 한 발자국 더 나아갔다는 평가를 받고 있다.


기초과학연구원(IBS)은 정인 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀이 비싼 가격으로 상용화가 어려웠던 열전소재의 성능저하원인을 규명해 경제성을 확보한 고성능 다결정 소재를 개발했다고 19일 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘줄’ 20일자에 발표됐다.


열전소재는 열에너지를 전기에너지로, 또는 그 반대로 전기에너지를 열에너지로 변환하는 장치다. 전류가 흐르면 발열 및 냉각이 일어나 유해한 냉매를 사용하지 않는 친환경 냉각장치에 쓰인다. 온도차를 이용해 자발적으로 전류를 발생시킬 수 있어 공장에서 발생하는 폐열, 신체온도, 태양열을 모아 전기를 생산하기도 한다.


열전소재의 효율은 열전도도와 전기전도도에 따라 결정된다. 전기전도도가 높고 열전도도가 낮을수록 우수한 성능의 소재가 된다. 셀레늄화주석(SnSe)은 전기전도도가 높고 열전도도가 낮을 뿐 아니라 친환경적이고 매장량이 풍부해 최적의 재료로 꼽힌다. 소재를 구성하는 내부 원자들이 규칙적으로 배열된 단결정 셀레늄화주석의 열전성능지수는 약 2.6으로 알려진 소재 중 최고 수준이다. 


하지만 단결정 셀레늄화주석은 제조가 까다롭고 오래 걸려 대량 생산이 어렵고 쉽게 부러지는 특성이 있어 상용화가 불가능했다. 단결정 셀레늄화주석와 비교해 배향이 다른 단결정들이 뭉친 다결정 셀레늄화주석은 잘 부러지지 않는 특성이 있다. 하지만 다결정 셀레늄화주석은 단결정 대비 30% 이하의 열전성능지수를 나타내 성능이 떨어진다는 한계가 있다.


연구팀은 나노미터(nm) 수준에서 시료를 관찰할 수 있는 구면수차 보정 주사 투과전자현미경을 이용해 다결정 셀레늄화주석을 관찰했다. 다결정 셀레늄화주석에 극소량의 산화주석 나노입자가 존재하는 것으로 나타났다. 산화주석은 셀레늄화주석보다 열전도도가 약 140배 높은 물질로 소재 전체의 열전도도를 향상시킨다. 이로 인해 다결정 셀레늄화주석의 열전성능이 크게 저해되는 것으로 나타났다. 


연구팀은 다결정 셀레늄화주석의 산화주석 나노입자를 제거하는 방법도 개발했다. 셀레늄화주석 분말을 나노크기로 분쇄한 후 저농도 수소가스를 높은 온도에서 흘려 산화주석을 제거했다. 이를 통해 다결정 셀레늄화주석의 열전도도를 약 45% 낮춰 단결정 열전도도 수준으로 만들었다. 연구팀이 개발한 열전소재의 열전성능지수는 2.5 이상을 기록했다.


정 교수는 “친환경∙고성능 열전소재인 셀레늄화주석을 단결정 분말로 저렴하게 만들어 활용할 수 있는 길을 연 것”이라며 “가격과 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전발전기술이 이번 연구를 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다”고 말했다.

 

산화주석 나노입자 제거에 따른 열전성능의 향상을 나타냈다. 기초과학연구원
산화주석 나노입자 제거에 따른 열전성능의 향상을 나타냈다. 기초과학연구원

 

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