국내 연구진이 버려지는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있는 세계 최고 성능의 열전소재를 개발했다.
기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단은 성균관대, 삼성전자 종합기술원과 공동으로 제조방식이 간단하고 대량생산이 가능한 상온 열전소재를 개발했다고 2일 밝혔다. 이번 연구결과는 세계적인 과학저널 사이언스(Science) 4월 3일자에 게재됐다.

열전은 열 에너지와 전기 에너지를 상호 변환할 수 있는 기술로 폐열을 활용해 자동차의 효율을 높이거나 체온을 모바일 기기의 전원으로 활용하는 등 다양한 응용이 가능하다. 열전 기술의 상용화를 위해선 소재의 열-전기 변환 성능인 열전 성능지수(zT) 값을 높이는 동시에 이를 대용량 소재에 쉽게 적용하는 게 관건이다.

연구팀은 대표적인 열전소재인 ‘비스머스 안티모니 텔루라이드’를 새로운 금속공학적 방법으로 기존 1.2 수준에 머물렀던 열전 성능지수를 상온(약 47도)에서 2.0까지 끌어올리는데 성공했다. 비스머스 안티모니 텔루라이드 결정 입자의 경계(입계)에는 액상 텔루륨이 존재하는데 압력을 가하면 액상 텔루륨이 배출돼 낮은 에너지 상태의 입계면이 형성되는 동시에 입계면에 선 모양의 결함(전위 배열)들이 고밀도로 형성된다. 고밀도 전위 배열은 물질의 열 전달에 기여하는 중파장 영역 음향양자를 산란시킴으로써 열전도도를 물리적 한계수준까지 낮출 수 있다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구는 기존 물리학과 재료학에서 불가능하다고 믿어왔던 전기전도도와 열전도도의 상충관계를 극복하고 열전 에너지 변환 성능을 상온에서 세계 최고 수준을 달성한 것으로 평가받고 있다. 이를 통해 기존 소재의 낮은 효율로 제한적으로 활용돼 왔던 열전 변환기술을 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

유주경 기자 willowind@ggilbo.com