버려지는 열을 값싸게 전기로 바꿔주는 소재

↑ 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단이 열에너지를 전기에너지로 바꿔주는 고성능 열전소재를 저렴하게 만들 수 있는 기술을 개발했다. 성능이 떨어지는 값싼 다결정 셀레늄화주석(SeSn)에서 수소환원반응을 통해 산화주석 나노입자를 제거하자, 성능이 기존보다 3배가량 향상됐다. [자료 제공 = 기초과학연구원]

국내 연구진이 버려지는 열도 값싸게 전기로 바꿔 주는 고성능 열전소재를 개발했다. 기존 소재의 성능 저하 문제를 해결하고 제조 단가를 낮춰 공장와 자동차 엔진에서 발생하는 폐열과 체온, 태양열 등을 모아 효율적으로 전력을 얻을 수 있게 될 것으로 기대를 모은다.
정인 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구진은 친환경·고성능 열전소재의 성능을 높이면서도 더 저렴하게 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다. 열전소재는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 장치다. 연구 결과는 국제학술지 '줄' 20일자에 게재됐다.
열전소재는 전류를 흘리면 발열과 냉각이 일어나기 때문에 환경에 유해한 냉매를 사용하지 않는 친환경 냉각장치 등에 사용된다. 반대로 온도차를 이용해 전류를 만들어낼 수도 있다. 열전소재의 성능을 나타내는 열전성능지수는 열전도도가 낮을수록, 전기전도도가 높을수록 높아진다. 현재까지는 셀레늄화주석(SnSe)의 열전성능지수가 2.6으로 최고 수준으로 알려져 있다.
하지만 단결정 셀레늄화주석은 제조가 까다롭고 오래 걸려 대량 생산이 어려운 데다 쉽게 부러지는 특성이 있어 상용화가 불가능했다. 이 때문에 단결정 시료에 견줄 만한 성능을 가진 다결정 셀레늄화주석을 개발하려는 연구가 이뤄졌지만 단결정 대비 30% 이하로 성능이 현저히 떨어진다는 한계가 있었다.
이에 연구진은 ㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 수준에서 관찰할 수 있는 '구면수차 보정 주사 투과전자현미경'을 이용해 다결정 셀레늄화주석을 관찰했다. 그 결과 산소 노출을 제한한 환경에서 합성했음에도 불구하고 시료 안에는 극소량의 산화주석(SnO, SnO2) 나노입자가 존재하는 것으로 확인됐다. 셀레늄화주석보다 열전도도가 약 140배 높은 산화주석은 입자들이 열전성능을 크게 떨어뜨리는 역할을 했던 것이다.
이를 바탕으로 연구진은 산화주석 나노입자를 효과적으로 제거할 수 있는 방법도 개발했다. 다결정 셀레늄화주석을 나노크기로 분쇄한 뒤 저농도 수소가스를 높은 온도에서 흘려주는 간단한 방식이다. 그 결과 다결정 셀레늄화주석의 열전도도가 45% 낮아져 열전성능지수가 2.5 이상을 기록했다. 단결정 셀레늄화주석과 유사한 수준의 성능을 기록한 것으로 기존 다결정 셀레늄화주석보다 3배가량 높고 다결정 중에는 가장 높다.
정인 연구위원 "친환경·고성능 열전소재인 셀레늄화주석을 단결정 분말로 저렴하게 만들어 활용할 수 있는 길을 연 것"이라며 "가격과 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전발전 기술이 이번 연구를 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다고 생각한다"고 밝혔다.
[송경은 기자]