'온도차로 발전' 친환경 열전소재 대량생산 기술 확보

화학硏, 독성있는 기존 소재와 달리 인체무해, 저렴한 구리-황 소재 활용

간단하게 정밀한 구조로 대량 생산 가능, 국제학술지 표지논문

[대전=뉴시스] 화학연구원이 친환경적이고 경제적인 구리 황화물(CuS) 열전 소재를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다. 사진은 연구 모식도.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 물체 간 온도 차이로 발전이 가능한 친환경 열전소재를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 화학소재연구본부 조동휘·이정오 박사팀과 화학플랫폼연구본부 이예리 박사팀이 고려대 전석우 교수팀과 함께 비싸고 독성이 있는 기존 상용 열전소재의 재료를 대신해 구리(Cu) 기판에 매우 저렴한 황(S)을 용액형태로 처리한 '구리 황화물(CuS) 나노구조 박막 제조기술'을 확보했다고 9일 밝혔다.

발전소·선박·차량 등의 산업기계에서 발생하는 에너지 65% 이상은 열로 손실되는 만큼 폐열을 전기로 바꾸는 열전 소재 연구가 활발하다.

상용 열전소재인 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃), 리드 텔루라이드(PbTe) 등의 합금소재는 ZT(열전 성능 지수) 값이 1 이상의 높은 열-전기 변환 효율을 보이지만 비싸고 독성이 있어 대량생산 및 친환경 에너지 발전에 한계가 있다.

이번에 공동 연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 구리 황화물(CuS)에 주목하고 미세한 두께의 결정성 구리호일을 황 용액에 담근 뒤 CuS가 결정화될 때까지 온도, 시간, 반응농도를 정밀하게 제어해 CuS의 성장 형태를 세밀하게 조절하며 제작할 수 있는 기술 및 성장원리를 최초로 규명해냈다.

이 방식은 기존의 화학적 합성법으로 CuS 나노입자를 만드는 방법보다 더 간단하면서 대면적 생산도 빠르게 할 수 있다.

제작된 CuS 표면은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥들이 자라난 상태로 마치 빼곡한 오리털처럼 열 이동을 잘 막아준다. 열이 일부 구역에만 맴돌며 찬 구역과 온도 차이가 오래 유지될수록 열-전기 변환효율은 높아진다.

또 제작된 CuS 나노구조 박막은 구리호일의 습식식각 공정을 통해 기판에 반도체를 옮겨 심듯이 유연기판 등 다양한 기판에 전사(잘라내 붙이기)가 가능하다.
 
이에 따라 고온 발생 기계의 폐열 회수, 웨어러블 기기의 최첨단 에너지수확시스템 등에 다양하게 적용할 수 있다.

검증에서 개발된 CuS 나노구조 박막은 650K(367.85℃)에서 ZT 값 0.91을 기록해 기존 상용 열전소재와 비교할 수 있는 매우 높은 열전 성능을 보여줬고 300~400℃ 범위의 산업기계에 적합할 것으로 예상된다.

특히 40K(40℃)의 온도 차가 발생할 경우 CuS 기반 열전 발전기를 사용해 저전력 센서에 활용 가능한 밀리와트 수준의 전력을 생산할 수 있으며 다양한 기판에 쉽게 옮길 수 있는 특징 덕분에 장갑에 적용, 무선 온도탐지 기능을 추가한 스마트 장갑도 만들 수 있었다.

연구팀은 향후 CuS 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 하베스팅 기술에 적용, 상용화해 에너지 효율성은 높이고 온실가스 배출을 줄여 기후위기에도 힘을 보탤 예정이다.

이번 연구는 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지 '재료 정보(인포맷, InfoMat, (IF : 22.7))'에 지난달 표지논문으로 게재됐다.(논문명:Transferable, Highly Crystalline Covellite Membrane for Multifunctional Thermoelectric Systems/화학연 이예리·이건희 박사, 고려대 최명우 박사(공동 1저자))

연구진은 "기존 상용 소재보다 저렴한 재료로 원하는 구조를 정밀하게 만들고 대량생산이 가능하다는 점이 차별성"이라고 말했고 화학연 이영국 원장은 "친환경 열전 박막소재가 폐열회수 시장 개척 및 웨어러블기기 제품 혁신으로 이어져 미래의 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다.


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