[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

‘열전 기술’은 열전 소재를 이용해 열에너지를 전기에너지로, 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는 기술이다. 이 기술은 지열이나 산업 배·폐열, 체열, 태양열 등 다양한 형태의 열에너지를 회수해 전기에너지로 변환하는 새로운 청정 신재생에너지 기술로 주목 받고 있다. 열전소자는 냉각기체를 사용하지 않아 소음을 발생키지 않는다. 또 중량이 가볍고 이동성이 좋으며 크기에 제한을 받지 않는 장점도 있다. 이 때문에 생활가전 및 자동차, 선박 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

참고로 열전 소재의 에너지 변환 효율은 성능 지수 ‘ZT’로 나타낸다. 이 지수를 구하는 공식은 ‘ZT=S2σT/κ’이다. 이때 S는 제백계수(Seebeck coefficient, 온도차에 의한 기전력의 크기), T는 온도 차이, σ는 전기전도도(electrical conductivity), κ는 열전도도(thermal conductivity)를 뜻한다. 다시 말해 열전 소재의 에너지 변환 효율은 온도 차이와 전기전도도가 클수록 커진다. 반대로 열전도도가 작을수록 에너지 변환 효율이 크다.

현재 열전 소재는 덩어리를 이루는 ‘벌크 소재(bulk material)’로 만들어져 사용되고 있다. 열전 벌크 소재는 고비용․고에너지를 요구하는 존 멜팅(zone-melting)이나 고온가압소결(hot-pressing) 공정 등을 거쳐 제작된다. 또한 열전 모듈에 삽입되는 소재는 벌크 소재를 주사위 모양으로 자르는 다이싱(dicing) 과정을 거쳐 직육면체 형태로 제조되며, 형상 제어는 매우 어렵다. 이 때문에 현재 개발된 열전 발전 모듈은 100% 판상형 소자를 기반으로 만들어져 있다.

하지만 실제로 열을 내는 물체들은 대부분 다양한 곡면의 표면을 가진다. 실제 발전 시스템에 판상형 소자를 적용하게 되면 접촉 면적이 줄어들 수밖에 없는 것이다. 접촉 면적이 줄어들면 열에너지를 효과적으로 회수할 수 없다. 이 문제를 해결하려면 점을 고려하면 곡면 형태의 열원과 접촉면을 늘려 효율적인 열에너지 회수를 가능케 하는 방법이 필요하다.

2. 연구내용

‘본 연구진은 이를 위한 해결책으로, 분자상 소결 조제(sintering aid)가 함유된 ‘열전 페인트 소재’를 만들고 이를 이용한 ‘페인팅 공정’을 개발했다. 소결 조제는 가루 형태의 입자들이 액상에서도 치밀하게 뭉치도록 돕는 물질을 말한다.

열전 페인트는 ‘비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃)’ 기반의 마이크로 입자 분말이 고점도 용매에 분산돼 있는 형태다. 새롭게 개발한 분자상 ‘안티모니 텔루라이드(Sb₂Te₃-)’ 기반의 칼코젠화 금속 이온 소결 조제를 첨가했다. 이를 통해 저온에서 입자간 소결 및 치밀화를 촉진해 기존의 잉크형 소재가 가지고 있는 저밀도 문제를 해결했다. 이러한 소결 조제 효과 덕분에 n형과 p형 열전 페인트 소재의 성능 지수(ZT)도 각각 0.67과 1.21에 달했다. 이는 기존 벌크형 열전 소재의 성능 지수를 웃도는 수치다.

개발된 열전 페인트는 열원에 직접 붓으로 그리는 페인팅 공정을 통해 다양한 형태의 기판 위에 모듈로 제작됐다. 평판형 유리, 폴로이미드 기판, 유리 반실린더 기판의 볼록한 면과 오목한 면, 7㎝ 크기의 반구형 알루미나 기판 위에 제작된 페인팅 열전 모듈은 온도차 50℃에서 최대 4.0mW/㎠의 발전 밀도를 나타냈으며, 이는 지금까지 발표된 ‘수평형 열전 모듈’ 중 가장 높은 수치다.

연구진은 또 열전 페인트 소재의 몰딩 공정을 통해 다양한 형상의 벌크형 열전 소재를 제조하는 데 성공했다. 이 소재들을 이용한 반구형 알루미나 기판 위 ‘수직형 열전 모듈’은 온도차 50℃에서 최대 30mW/㎠의 발전 밀도를 나타냈다. 이 수치는 평면형 열원 위에서 실험이 진행된 상용 열전 모듈의 발전 밀도와 유사한 수치로, 열전 페인팅 공정의 유효성이 검증됐다고 할 수 있다.

3. 기대효과

‘자연계에서 에너지원의 60% 이상이 열로 손실된다. 우리나라의 경우 연간 1000만 TOE(tonne of oil equivalent) 폐열이 발생한다. 이를 효과적으로 활용할 수 있는 에너지 변환 기술은 열전 기술이 유일하다. 이와 관련한 원천 기술을 확보하는 것만으로도 다른 나라와의 기술격차를 크게 벌일 수 있다.

고효율 열전 페인트 및 페인팅 기술은 종래의 열전 소재 연구의 패러다임을 뛰어넘는 창조적 기술로, 선행 논문이나 특허도 없는 세계 최초 기술이다. 기존의 평판형 열전 모듈에서 불가능했던 다양한 형상, 종류, 크기의 열원에 적용 가능한 기술로 학술적으로는 새로운 열전 소재 및 고효율, 융․복합 모듈 디자인에 대한 도구로 활용될 수 있다.

또한 산업적으로 일상생활에서 버려지는 다양한 형태의 배·폐열 발전은 물론 건물 외벽, 지붕, 차량 외관 등에 도입될 경우 완전히 새로운 형태의 발전 시스템이 될 것으로 기대된다. 열전 페인트 소재의 경우 고점도 액체형 소재의 특성상 페인팅 공정 외에도 3D 프린팅과 같은 기술에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1. 열전 효과(thermoelectric effect)

열전 효과란 열전 소재 양단에 온도차가 발생했을 경우 전하 밀도 차이에 의해 전기를 만들어내는 힘(기전력)이 발생하는 효과다. 열전 기술은 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환할 수 있는 유일한 기술이다.

2. 열전 모듈(그림 1a)

열전 모듈이란 n형과 p형의 열전 소재가 전기적, 열적으로 연결된 소자를 뜻한다.

3. Bi₂Te₃, Sb₂Te₃

현존하는 소재 중 상온 근처에서 가장 높은 열전 성능 지수를 나타내는 소재

[붙임] 그림설명