기초과학연구원과 성균관대, 삼성종합기술원 공동연구팀이 개발한 세계 최고 효율의 열전소재와 이를 이용해 제작한 열전 소자.

사람은 포도당을 열량으로 바꿔 체온을 유지한다. 옷으로 감싸지만 여전히 많은 열이 대기로 빠져나간다. 자동차의 엔진이나 배기가스에서 발생하는 열도 마찬가지로 허비되고 있다.

이 열들을 이용해 전기를 만들어 쓰면 에너지효율을 훨씬 높일 수 있다. 이런 용도로 쓰이는 소재를 ‘열전소재’라 하는데, 지금까지 나온 소재들은 효율이 높지 않아 널리 상용화하지 못하고 있다.

국내 연구진이 기존 열전소재보다 효율이 두 배 높은 신소재를 개발해 열전소재의 실용화에 한걸음 더 다가섰다.

기초과학연구원 나노구조물리연구단(단장 이영희)의 김성웅 연구위원(성균관대 에너지과학과 교수)은 2일 “현재 대표적인 열전소재로 꼽히는 ‘비스머스 안티모니 텔루라이드’(Bi-Sb-Te)를 새로운 방법으로 제조해 효율을 두배로 높였다.

상용화를 위한 성능이 100이라면 기존 소재는 40 정도에 머물렀으나 이번에 개발한 소재는 그 성능을 70 수준으로 높였다는 의미가 있다”고 말했다. 연구팀의 논문은 과학저널 <사이언스> 3일(현지시각)치에 실렸다.

김성웅 연구위원

‘열전’ 기술이란 열을 전기로 바꾸든지 또는 전기를 열로 바꾸는 상호 변환을 할 수 있는 것을 말한다. 전기를 흘려주면 한쪽 면이 냉각되는 열전냉각이나 뜨거운 열원에 붙여놓으면 전기가 흐르는 열전발전에 주로 쓰인다.

열전 효과를 내는 소재는 전기전도도와 열전도도가 상충돼야 한다. 가령 구리는 전기전도도도 높고 열전도도도 높다. 반대로 유리는 둘다 낮다. 열전 소재의 열과 전기 사이의 변환 성능을 나타내는 지수를 열전 성능 지수(zT)라 한다.

구리나 유리는 0에 가깝다. 지금까지 나온 소재 가운데 이 지수가 가장 높은 것은 1.2 수준인데 연구팀은 지수가 2.0인 새 소재는 만든 것이다.

연구팀은 비스머스 안티모니 텔루라이드 고체 분말을 결합시킬 때 텔루륨을 집어넣어 고온으로 가열하면 텔루륨이 고체 분말들이 결합하는 경계면에 액상으로 끼어 있다가 압축할 때 빠져나오면서 경계면에 특정 형태의 결함을 만들어 열전도도는 낮아지고 전기전도도는 높은 소재로 변한다는 것을 알아냈다.

이런 액상 소결법은 기존 열전 소재와 달리 대량생산할 수 있는 방법이라는 데서 주목을 받고 있다.

연구팀은 삼성종합기술원과 공동연구를 통해 이 소재를 이용한 고효율 열전 소자를 제작했다.

김성웅 교수는 “대용량으로 만들면서 어느 부분에서나 같은 성능이 유지되도록 생산하는 기술을 획득하면 모바일 기기 배터리에서 나오는 열로 보충 충전을 하거나 전기자동차 엔진에서 나오는 열을 전기로 전환해 재사용하는 제품을 만드는 것이 가능해질 것”이라고 말했다.