열을 전기로 바꾸는 소재 '더 얇고 뛰어나게'

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 열을 전기 에너지로 바꿔주는 열전소재 기술이 진일보했다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 신호선 선임연구원과 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 손재성 교수팀이 주석·셀레나이드(SnSe) 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만들었다고 20일 밝혔다.

서울대 이원보 교수·재료연구소 강전연 박사·금오공대 박노진 교수·한양대 장재영 교수팀도 함께 연구해 거둔 성과다.

열전 기술은 열에너지를 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 열에너지로 변환하는 방식이다.

지열, 산업 배·폐열, 체열, 태양열 등 다양한 형태의 열에너지를 거둬들여 전기 에너지로 바꾸는 개념으로 보면 된다.

열전 발전기 구조나 원리는 비교적 단순하기 때문에 더 좋은 열전소재를 개발하는 게 성능을 끌어올리는 핵심 과제다.

2014년에 보고된 주석·셀레나이드는 이런 관점에서 촉망받는 열전소재로 꼽힌다.

다만, 이 물질의 결정 구조를 제어하는 건 쉽지 않다.

종이가 층층이 쌓인 것처럼 독특한 다결정 형태를 지녀서다.

종이가 구겨지면 책을 깨끗하게 인쇄할 수 없는 것과 마찬가지로 이런 구조에선 높은 열전효율을 얻기 어렵다.

연구진은 주석·셀레나이드를 특정한 방향으로 성장시킬 2단계 공정을 개발했다.

재료를 용액에 녹여 열전 잉크로 합성한 뒤(용액공정) 가열하는 게 골자다.

주석·다이셀레나이드 박막을 먼저 만든 뒤 열처리 과정을 거쳐 주석·셀레나이드 박막으로 제조했다.

주석·다이셀레나이드를 가열하면 셀레늄 원자가 증발하면서 주석·셀레나이드가 된다고 연구진은 설명했다.

주석·다이셀레나이드 결정이 이정표가 되기 때문에 주석·셀레나이드 결정 구조도 가지런하게 정렬된다.

연구진이 구현한 주석·셀레나이드 박막은 기존보다 전기적 특성이 10배 이상 우수했다.

UNIST 손재성 교수는 "원재료에 상당한 고온과 고압을 가하는 기존 방법은 생산비가 비쌀 뿐 아니라 원하는 방향으로 결정을 성장시키기 어렵다"며 "이번에 내놓은 기술은 간편하고 효율적일 뿐 아니라 주석·셀레나이드 결정 방향까지 제어할 수 있다"고 말했다.

KRISS 신호선 선임연구원은 "저렴한 용액공정으로도 고성능 열전 박막 소재 제조가 가능해졌다는 뜻"이라며 "극 박막 열전소재 측정표준 기술 개발에도 도움이 될 것"이라고 덧붙였다.

연구는 한국표준과학연구원의 저차원 소재 게놈 제어평가기술 개발 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단의 나노·소재원천기술개발사업 도전형 소재기술개발 프로그램과 신진연구자 사업 지원으로 수행했다.

성과를 담은 논문은 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 실렸다.

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