UNIST, 고효율 초박막 열전소재 개발…열전 기술 발전 기대

【울산=뉴시스】박일호 기자 =  울산과학기술원은 신소재공학부 손재성 교수팀(사진)이 한국표준과학연구원 신호선 박사팀과 공동으로 '주석-셀레나이드'의 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만드는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 왼쪽부터 조승기 연구원, 손재성 교수, 허승회 연구원. 2019.02.20. (사진=울산과학기술원 제공) [email protected]

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 국내 연구진이 우리 주변에 버려지는 열을 이용해 전기를 생산하는 '열전 기술'을 발전시킬 소재를 개발해 주목된다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학부 손재성 교수팀이 한국표준과학연구원 신호선 박사팀과 공동으로 '주석-셀레나이드'의 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만드는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

이번에 개발한 공정은 재료를 용액에 녹여 열전 잉크로 합성한 후 가열하는 방식이라 손쉽고 저렴하다.

또 제작된 소재의 성능은 기존 덩어리 형태의 열전소재에 뒤지지 않았고, 공정 자체도 간단해 다양한 분야로 응용할 잠재성이 크다.

열전소재는 소재 양쪽에서 나타나는 온도 차이를 이용해 전기를 발생시킬 수 있는 물질이다. 이 소재로 열전발전기를 만들고 자동차나 선박의 엔진 등에 부착하면 전기를 생산할 수 있다.

연전발전기의 구조나 원리는 매우 단순하기 때문에 성능을 더 높이려면 더 좋은 열전소재를 개발해야 했다. 지난 2014년 처음 보고된 주석-셀레나이드는 성능 면에서 1~2위를 다툴 정도로 촉망받는 열전소재다.

그러나 이 물질의 결정 구조를 제어하기 어려워 기대만큼 우수한 열전 효율을 보이진 못했다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 주석-셀레나이드를 특정한 방향으로 성장시킬 2단계 공정을 개발했다.

1단계 공정에서는 주석-다이셀레나이드 박막을 만들고, 2단계 공정에서 열처리해 주석-셀레나이드 박막을 만드는 방식이다.

주석-다이셀레나이드가 특정한 방향으로 잘 성장하는 원소의 일종이라는 점에 주목해 새로운 방법을 고안한 것이다.

【울산=뉴시스】박일호 기자 = 울산과학기술원은 신소재공학부 손재성 교수팀이 한국표준과학연구원 신호선 박사팀과 공동으로 '주석-셀레나이드'의 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재(사진)를 만드는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 2019.02.20. (사진=울산과학기술원 제공) [email protected]

연구진은 주석-다이셀레나이드를 가열하면 셀레늄 원자가 증발하며 주석-셀레나이드가 되고, 앞서 형성된 주석-다이셀레나이드 결정이 이정표가 되기 때문에 주석-셀레나이드 결정 구조도 가지런하게 정렬된다고 설명했다.

이렇게 제작된 주석-셀레나이드 박막은 기존 연구에 비해 전기적 특성이 10배 이상 우수했고, 단결정으로 성장시킨 덩어리 형태의 주석-셀레나이드 소재와 견줄 정도로 높은 성능을 보였다.

손재성 교수는 "원재료에 상당한 고온과 고압을 가하는 기존 방법은 생산비가 비쌀 뿐 아니라 원하는 방향으로 결정을 성장시키기 어려워 성능 확보가 어려웠다"며 "이번 기술은 간편하고 효율적일 뿐 아니라 주석-셀레나이드의 결정 방향까지 제어할 수 있어 향후 폭넓게 응용될 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 세계적 과학저널 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 발표됐다.

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