화학연·고려대, 온도차로 발전하는 열전 소재를 싼 재료 쉽게 제조

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 물체 간 온도 차로 발전이 가능한 열전 소재를 친환경적이고 경제적인 재료로 대량 생산할 수 있는 기술을 개발해 주목된다.

한국화학연구원(KRICT) 조동휘·이정오·이예리 박사 연구팀은 고려대 전석우 교수 연구팀과 구리(Cu) 기판에 매우 저렴한 황(S)을 용액 형태로 처리한 구리 황화물(CuS) 나노구조 박막 제조 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

발전소·선박·차량 등 산업 기계에서 발생하는 에너지의 65% 이상은 열로 손실되는 만큼 폐열을 전기로 바꾸는 열전 소재 연구가 활발하다. 상용 열전 소재인 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃), 리드 텔루라이드(PbTe) 등의 합금 소재는 ZT(열전 성능 지수) 값이 1 이상의 높은 열-전기 변환 효율을 보인다. 다만 비싸고 독성이 있어 대량 생산 및 친환경 에너지 발전이 제한된다.

이에 연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 구리 황화물(CuS)에 주목했다. 연구팀은 먼저 미세한 두께의 결정성 구리 호일을 황 용액에 담근 후 CuS가 결정화될 때까지 온도, 시간, 반응 농도를 정밀하게 제어해 CuS의 성장 형태를 세밀하게 조절했으며, 성장 원리를 최초로 규명했다.

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

만들어진 CuS 표면은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥들이 자라난 상태로서, 마치 빼곡한 오리털처럼 열 이동을 잘 막아준다. 열이 일부 구역에만 맴돌며 찬 구역과 온도 차이가 오래 유지될수록 열-전기 변환 효율은 높아진다.

CuS 나노 구조 박막은 구리 호일의 습식 식각 공정을 통해 기판에 반도체를 옮겨 심듯이 유연 기판 등 다양한 기판에 전사(잘라내 붙이기)가 가능하다. 이에 따라 고온 발생 기계의 폐열 회수, 웨어러블 기기의 최첨단 에너지 수확 시스템 등에 다양하게 적용할 수 있다.

또 650K(367.85℃)에서 ZT 값 0.91을 기록해 기존 상용 열전 소재와 비교할 수 있는 매우 높은 열전 성능을 보였다. 이는 300~400도 범위의 산업 기계에 적합할 것으로 예상된다. 이 밖에도 40K(40℃)의 온도 차가 발생할 경우 CuS 기반 열전 발전기를 사용하여 저전력 센서에 활용 가능한 밀리와트 수준의 전력을 생산할 수 있다.

연구팀은 향후 CuS 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 하베스팅 기술에 적용해 상용화할 계획이다. 이를 통해 전 세계적으로 에너지 효율성을 높이고 온실가스 배출을 줄이는 데 일조한다.

이영국 화학연 원장은 “친환경 열전 박막 소재가 폐열 회수 시장 개척 및 웨어러블 기기 제품 혁신으로 이어져 미래의 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”고 했다.

이번 연구 성과는 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지 '재료 정보'에 11월 표지논문으로 게재됐다.

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