IBS, 세계 최고 수준 '다결정 열전소재' 개발

산화주석 나노입자 제거 기술도 개발

다결정 셀레늄화주석을 단결정 수준으로

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 고성능 다결정 셀레늄화주석 열전소재. IBS 연구팀은 열전도도 성능을 저해하는 산화주석 나노입자(빨간색 원)를 저농도 수소환원반응을 통해 제거, 소재의 성능을 향상시켰다.2019.03.19(사진=IBS 제공) [email protected]

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 신재생 에너지원으로 주목받는 열전소재의 상용화를 앞당길 핵심기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 나노입자연구단 정인 연구위원팀이 비싼 가격으로 인해 상용화가 어려웠던 친환경·고성능 열전소재를 싸면서도 고성능으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

열전소재는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 장치다. 온도차를 이용해 자발적으로 전류를 발생시킬 수 있어 공장에서 발생하는 폐열, 신체의 온도, 태양열 등을 모아 전력을 생산할 수도 있다.

연구팀에 따르면 열전소재의 효율은 열전도도와 전기전도도에 의해 결정된다. 전기전도도가 높을수록, 열전도도가 낮을수록 성능이 우수한 소재가 된다.

 셀레늄화주석(SnSe)은 이런 조건을 만족하는 동시에 친환경적이고 매장량도 풍부해 최적의 재료로 꼽힌다. 이 중 단결정 셀레늄화주석은 최고 수준의 재료지만 제조가 까다롭고 오래 걸려 대량생산이 어렵고 쉽게 부러지는 특성이 있어 사실상 상용화가 불가능하다.

이로 단결정 시료에 견줄만한 성능을 가진 다결정 셀레늄화주석을 개발하려는 연구가 이뤄지고 있지만 단결정 대비 30% 이하의 열전성능지수를 나타내 성능이 현저히 떨어진다는 한계가 있다.

이번 연구에서 정인 연구위원 팀은 나노미터(㎚) 수준에서 시료를 관찰할 수 있는 '구면수차 보정 주사 투과전자현미경'을 이용해 다결정 재료의 성능 저하원인을 규명해 냈다.

연구를 통해 정 위원팀은 산소노출을 현저히 제한한 환경에서 합성한 다결정 셀레늄화주석에서도 시료 안에 극소량의 산화주석(SnO·SnO2) 나노입자가 존재한다는 것을 확인했다.

산화주석은 셀레늄화주석보다 열전도도가 140배가량 높은 물질로 이런 특성이 소재 전체의 열전도도를 향상시켜 열전성능을 크게 저해한다.

이어 연구팀은 산화주석 나노입자를 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 개발했다.

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 다결정 셀레늄화주석에 존재하는 산화주석 나노입자는 볼밀(ball milling) 공정으로 분말 형태로 만든 이후 저농도 수소환원반응을 통해 제거할 수 있다. 이렇게 만들어진 다결정 열전소재는 처리 전에 비해 열전도도가 40%가량 감소, 향상된 열전성능지수를 갖게 된다.2019.03.19(사진=IBS 제공) [email protected]

연구팀은 셀레늄화주석 분말을 나노크기로 분쇄(볼밀공정·ball milling)한 뒤 저농도 수소 가스를 높은 온도에서 흘려 문제가 되는 산화주석을 간단하게 제거했다.

그 결과 연구진은 다결정 셀레늄화주석의 열전도도를 45% 가량 낮춰 단결정 수준으로 만드는데 성공했다.
 
정 연구위원은 "불순물로 작용하던 산화주석 나노입자가 사라져 전기전도도 역시 향상됐다"면서 "최종적으로 개발된 다결정 열전소재의 열전성능지수는 2.5 이상으로 매우 우수하다"고 설명했다.

이는 동일한 작동온도에서 기존 단결정 셀레늄화주석 열전소재에 버금가는 성능으로 현재 보고된 모든 다결정 소재 중 가장 우수한 성능이다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘줄(Joule)’ 최신호에 실렸다. 논문명은 Surface Oxide Removal for Polycrystalline SnSe Reveals Near-Single-Crystal Thermoelectric Performance다.

정 연구위원은 "친환경·고성능 열전소재인 셀레늄화주석을 단결정 분말로 저렴하게 만들어 활용할 수 있는 길을 열었다"며 "가격과 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전발전기술이 이번 연구를 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다”고 말했다.

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