열로 전기 만드는 재료 성능 높이는 법 찾았다

하프호이즐러의 열전도도 3배 줄여 성능 향상 기대

하프호이즐러 열전재료의 제조과정을 나타내는 모식도

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 열을 전기로 만드는 하프호이즐러 열전재료를 만드는 새로운 방법을 개발했다. 연구진은 이 방법을 이용한 결과 기존방법 대비 열 전도도가 3배 이상 감소해 열전 성능을 끌어올릴 수 있을 것으로 전망했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 최벽파 교수팀이 경북대 이승훈 교수팀과 공동연구를 통해 준 안정상을 활용해 하프호이즐러 화합물의 나노구조를 제어하는 새 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

연구진은 이 방법이 기존 방법과는 달리 고온에서의 장시간 열처리가 필요 없으므로 쉽고 경제적이면서도 더욱 복잡하고 세밀한 나노구조의 형성이 가능하다고 설명했다.

열전 소자는 소자의 양단에 온도 차를 이용해 전기가 발생한다. 좋은 열전재료는 소자 양단의 온도 차는 오래 유지돼야 하고 전하는 잘 이동해야 하므로 열전도도는 낮아야 하고 전기 전도도는 높아야 한다.

다양한 열전재료 중 하나인 하프호이즐러 물질은 300~800℃의 중온 영역에서 높은 효율의 열전발전이 가능하다. 특히 열 안정성과 강도가 우수하고 높은 제벡 계수와 출력 계수를 지니고 있다. 더군다나 독성이 없고 지구에 풍부하게 매장된 원소로 이뤄져 있다. 하지만 상대적으로 높은 열전도도로 낮은 열전성능을 갖는다는 점이 약점이다.

열 전도도를 낮추기 위해서는 포논(입자)의 산란을 극대화해야 하는데 이를 위해서는 서로 다른 상의 경계를 만든 후 나노 결정화를 통해 달성할 수 있다. 이 때문에 기존에는 하프호이즐러 합금을 제조한 뒤 물리적으로 파쇄해 나노분말을 제조하고 이를 가열해 굳히는 방법을 사용해왔다. 하지만 이 방법은 나노결정의 크기 제어는 물론 복잡한 미세구조 형성이 어렵기 때문에 열전도도를 획기적으로 감소시키기는 매우 어렵다.

연구진은 준 안정상(비정질)의 결정화 방법을 활용했다. 준 안정상은 덜 안정한 상을 의미하는데 열처리를 통해 고체, 액체, 기체 등의 안정상으로 쉽게 상변화를 일으킬 수 있다. 이때, 열처리 온도에 따라 준 안정상의 결정화 움직임은 다양하게 변화하고 이를 이용해 나노결정의 크기와 상을 제어할 수 있다.

연구진은 급속냉각 공정을 이용해 하프호이즐러 조성을 가진 비정질을 제조한 뒤 비교적 저온에서 짧은 열처리를 통해 하프호이즐러 물질 내부에 풀호이즐러 나노 석출물이 존재하는 복잡한 나노구조를 만들었다.연구팀진 특히 이번 연구에서 3차원 원자 탐침 현미경과 투과 전자 현미경을 활용했는데 하프호이즐러 물질 내부에 존재하는 수 나노미터의 풀호이즐러 석출물의 존재를 밝혀내는 데도 성공했다.

이번 연구는 KAIST 신소재공학과 정찬원 박사과정이 제1 저자로 참여해 국제학술지인 '나노 에너지' 10월 20일자 온라인 판에 실렸다.

[e-mail] 김만기 기자