재료연구소, 고효율 열전변환소재·공정기술 개발 성공

김경태 박사 연구팀, 세계 최초로

【창원=뉴시스】 홍정명 기자 = 경남 창원 재료연구소 열전소재 개발 연구책임자인 김경태 박사.2019.01.24.(사진=재료연구소 제공) [email protected]

【창원=뉴시스】 홍정명 기자 = 경남 창원에 있는 재료연구소(소장 이정환)는 분말·세라믹연구본부 김경태 박사 연구팀이 원자단위 규모의 결함을 제어해 열과 전기에너지의 상호변환 효율을 향상시키는 소재와 공정기술을 세계 최초로 개발했다고 24일 밝혔다.

개발된 기술은 원자단위 결함들을 나노미터 크기의 영역에 인공적으로 모아, 열전소재의 물성을 좌우하는 ‘전자’와 열전달 매개체로서의 '포논(Phonon)' 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 확장하지 못했다.

그러나 김경태 박사 연구팀은 원자단위 결함을 선별적으로 나노미터 크기 영역으로 결집시키는 결함 엔지니어링 기술을 통해 고효율 에너지 변환 성능을 갖는 '열전소재'를 개발한 것이다.

연구팀은 열전소재에서 자연적으로 발생하여 물성 저하의 원인으로 지목되던 원자결함들을 원하는 영역에 일정한 크기로 결집해 소재의 전기적 물성 향상과 열전도도 저감을 동시에 확보하는 데 성공했다.

그 결과, 기존 소재와 비교해 최소 1.6배 이상 향상된 열전에너지 변환 물성을 확보했을 뿐만 아니라 100도 정도의 온도 차이로부터 최대 발전효율 약 8%를 획득할 수 있었다.

이 기술이 열과 전기에너지의 상호변환 소자에 적용될 경우, 배열·폐열을 이용한 발전, 전기를 이용한 냉각·가열 시스템 분야 소재와 소자, 모듈 시장 확대 등에 핵심소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

특히 모바일기기용 체열발전장치와 각종 센서용 전원공급 장치는 물론, 차량과 가정용 무소음 냉장고, 와인셀러, 정수기 등 냉·온 장치에 적용이 가능하다.

【창원=뉴시스】 홍정명 기자 = 경남 창원 재료연구소 김경태 박사 연구팀이 세계 최초로 개발한 소재가 적용된 열전소자(오른쪽)와 원자결함 구조를 이용한 전하·포논 이동제어 모식도.2019.01.24.(사진=재료연구소 제공) [email protected]

열전변환 신소재 시장은 열에너지 하베스팅 및 정밀온도 제어기기 등을 모두 포함한다.

따라서 수입에 의존하고 있는 열전소재의 고부가가치화 및 수입 소재 대체도 가능할 것으로 전망된다.

연구책임자인 김경태 책임연구원은 "개발한 기술은 열전소자의 성능 향상을 위한 원천소재기술 성격이 강하다"면서 "아울러 종래의 분말야금 공정을 그대로 사용하기 때문에 열전소재의 고부가가치화와 공정 기술의 실용화 측면에서 큰 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 재료연구소 주요사업 '준안정 미세구조 기반 소재물성제어 원천기술 개발' 과제와 한국연구재단의 글로벌프론티어사업 '파동에너지극한제어연구단', '하이브리드계면연구', '나노소재 원천기술개발사업' 지원으로 수행됐다.

연구 성과는 에너지 분야 저명 학술지인 '나노 에너지(Nano Energy)'의 2019년 1월호에 게재됐으며, 연구팀은 열전분말 및 소재 제조기술에 관한 연구결과를 지적재산권으로 확보했다.

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