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국내 연구진, 세계 최고성능 열전소재 개발

김성웅 교수
열전(熱電)소재는 열을 전기로 바꿔주는 소재를 가리킨다. 일상생활이나 산업현장에서 버려지는 열을 재활용할 수 있게 해줄 미래 친환경 에너지 기술 중 하나다. 국내 연구진이 이런 열전소재의 성능을 기존의 두 배 가까이 끌어올릴 수 있는 방법을 찾아냈다. 미국·독일·일본 등이 앞서 가던 이 분야에서 한국이 ‘역전’에 성공할 수 있는 계기를 마련했다는 평가다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단은 삼성전자종합기술원 연구팀과 함께 세계 최고 성능의 열전 소재를 개발했다고 2일 밝혔다. 연구결과는 세계적인 과학저널 ‘사이언스(Science)’ 온라인판에 소개됐다.

열전 소재의 성능은 열을 전기로 바꾸는 효율에 달려있다. zT(무차원 성능지수)가 높으면 높을 수록 이 효율이 높다는 의미다. 기존 기술로 만든 열전소재의 실온 zT값은 1.0~1.2 정도다. 연구 논문 수준에서는 1.3~1.4 정도가 최고치였다. 이런 이유로 현재는 열을 감지해 전기 신호를 발생시키는 수준에 머물고 있다. 상업적으로는 미사일 열추적 장치 등에 제한적으로 사용되고 있다.

반면 국내 연구진은 새로 고안한 방법으로 재료 열전도도를 떨어뜨려 zT 값을 상온에서 2.0 이상으로 끌어올렸다. 또 이렇게 만든 소재를 사용해 열전 에너지 변환 소자를 직접 제작해 모듈 양단간 최대 81K의 온도차를 얻어냈다. 연구팀은 “상용화가 가능한 소재 성능을 100으로 볼 때 기존 기술은 40, 우리가 개발한 기술은 70 수준”이라며 “선진국보다 상용화에 한발 더 다가섰다”고 밝혔다.

고효율 열전 소재가 상용화되면 사람의 체온으로 모바일·웨어러블 기기를 충전하고, 자동차·공장의 배기가스를 이용해 발전을 할 수 있게 된다. 태양전지와 결합하면 태양 빛을 버리는 열 없이 ‘알뜰하게’ 쓸 수도 있다.

김성웅 IBS 연구위원은 “이번 연구는 산업적으로 대량생산이 가능한 공정을 이용해 세계 최고 효율의 에너지 변환 열전소자를 구현했다는 데 큰 의의가 있다”고 밝혔다. 공동 교신 저자인 삼성전자 종합기술원의 김상일 전문연구원은 “친환경 열전 발전 기술 및 응용분야에서 상용화를 앞당길 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

김한별 기자 kim.hanbyul@joongang.co.kr
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