DGIST(총장 신성철)는 나노·에너지융합연구부 이명재 박사 연구팀이 2차원 열전소재에서 열전 변환효율을 약 1,000배 향상시킬 수 있는 메커니즘을 규명했다고 22일 밝혔다.
이명재 박사 연구팀은 기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계연구단과 공동연구를 통해 2차원 열전소재에서 열전도도가 감소되는 반면 전기전도도는 증가하는 부적 상관관계가 나타나 열전 성능지수(ZT)가 크게 증가한다는 사실을 세계 최초로 규명했다.
이번 연구 성과는 세계적 권위의 학술지 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판 21일자에 게재됐다.
열전기술이란 열에너지와 전기에너지를 상호 변환할 수 있는 기술로 버려지는 열을 전기로 바꿔 활용할 수 있어 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
열전기술을 적용한 열전소재 및 열전소자 개발은 체온을 전기로 바꿔 모바일 기기 전원으로 활용하거나, 냉각장치 없는 냉장고 제작, 내연기관을 대신한 전기자동차 개발, 전기를 아낄 수 있는 제습기 제작 등 폭넓은 응용이 가능한 분야다. 또 자동차 및 산업 배폐열, 플랜트열, 원자력발전열 등 버려지는 열을 전기로 재활용할 수 있는 에너지 하베스트에서도 필수적이다.
지금까지 산업체 및 학계에서는 열전 변환효율을 높이기 위해 비스무스-텔루라이드(BiTe)계, 납-텔루라이드(PbTe)계 화합물 등 열전재료의 나노구조를 변형시키거나 화합 비율을 조절해 열전도도는 대폭 감소시키고 상대적으로 전기전도도는 적게 감소시키는 정적 상관관계를 이용해왔다.
하지만 열전도도와 전기전도도는 매우 밀접한 정적 상관관계로 두 인자를 서로 독립적으로 제어하기 힘들어 열전 성능지수를 2~3배 이상 향상시키기가 어려웠다.
이명재 박사 연구팀은 실험을 통해 벌크재료 상태의 황화주석(SnS2)에서는 열전 성능지수가 0.0001 정도이지만, 황화주석이 16nm 두께의 2차원 소재 상태에서는 열전 성능지수가 1000배 가까이 향상된 0.13을 나타낸다는 사실을 측정했다. 이는 2차원 열전소재에서 열전도도가 감소하지만 전기전도도는 증가하는 부적 상관관계가 나타낸다는 사실을 규명한 것이다.
연구팀이 증명한 부적 상관관계 메커니즘을 열전소재 및 열전소자 개발에 적용하면 기존에 사용하던 열전재료들 보다 높은 열전 변환효율을 가진 열전소재 개발에 적용할 수 있음을 시사한다.
DGIST 나노·에너지융합연구부 이명재 박사는 “2차원 형태의 열전소재에서 열전 성능지수 향상의 메커니즘이 열전도도와 전기전도도의 부적 상관관계임을 세계 최초로 밝힌 것이 이번 연구의 의의”라며 “이러한 부적 상관관계를 갖는 열전재료를 지속적으로 연구해 열전기술 상용화를 앞당길 수 있도록 노력하겠다”고 말했다. 오경묵 기자 okmook@hankyung.com
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