보도자료

2019. 02. 20. (수) 오후 7시부터 보도해 주시기 바랍니다.

“열전소재, 얇게 더 얇게”… 손쉬운 용액공정 나왔다

UNIST 손재성 교수팀, 초박막형 고배향․고효율 열전소재 제작법 개발
결정 조성 변화로 성능 최적화… Nature Communications 논문 발표

방 안에 켜진 형광등, 100m 달리기를 마친 사람의 몸, 따뜻한 커피가 담긴 머그잔 등에 있는 열을 전기로 바꿀 ‘열전 기술’에 기여할 소재가 개발됐다. 재료를 얇게 만들어 구부러진 표면에도 붙일 수 있는데다 성능까지 높여 크게 주목받고 있다.

UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 손재성 교수팀은 한국표준과학연구원(원장 박상열)의 신호선 박사팀과 공동으로 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’의 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만드는 데 성공했다. 이번에 개발한 공정은 ‘재료를 용액에 녹여 열전 잉크로 합성한 뒤(용액공정) 가열하는 방식’이라 손쉽고 저렴하다. 제작된 소재의 성능은 기존 덩어리(bulk) 형태의 열전소재에 뒤지지 않았으며, 공정 자체도 간단해 다양한 분야로 응용할 잠재성이 크다.

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열전소재는 소재 양쪽에서 나타나는 온도 차이를 이용해 전기를 발생시킬 수 있는 물질이다. 이 소재로 열전발전기를 만들고 자동차나 선박의 엔진 등에 부착하면 전기를 생산할 수 있다. 열전발전기의 구조나 원리는 매우 단순하기 때문에 성능을 더 높이려면 더 좋은 열전소재를 개발해야 했다. 특히 2014년 처음 보고된 주석-셀레나이드는 성능 면에서 1~2위를 다툴 정도로 촉망받는 열전소재다. 하지만 이 물질의 결정 구조를 제어하기 어려워 기대만큼 우수한 열전 효율을 보이진 못했다.

공동 제1저자인 허승회 UNIST 신소재공학과 석․박사통합과정 연구원은 “주석-셀레나이드는 종이가 층층이 쌓인 책처럼 독특한 층상형 결정구조를 가지며, 이 구조가 나란한 단결정에서 열전효과가 나타난다”며 “종이가 구겨지면 책을 깨끗하게 인쇄할 수 없는 것처럼 다결정 구조에선 높은 열전효율을 얻기 어렵다”고 설명했다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 주석-셀레나이드를 특정한 방향으로 성장시킬 2단계 공정을 개발했다. 1단계 공정에서는 ‘주석-다이셀레나이드(SnSe₂)’ 박막을 만들고, 2단계 공정에서 열처리해 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’ 박막을 만드는 방식이다. 주석-다이셀레나이드가 특정한 방향으로 잘 성장하는 원소의 일종이라는 점에 주목해 새로운 방법을 고안한 것이다.

공동 제1저자인 조승기 UNIST 신소재공학과 석․박사통합과정 연구원은 “주석-다이셀레나이드를 가열하면 셀레늄(Se) 원자가 증발하며 주석-셀레나이드가 된다”며 “앞서 형성된 주석-다이셀레나이드 결정이 이정표가 되기 때문에 주석-셀레나이드 결정 구조도 가지런하게 정렬된다”고 설명했다.

이렇게 제작된 주석-셀레나이드 박막은 기존 연구에 비해 전기적 특성이 10배 이상 우수했다. 또 단결정으로 성장시킨 덩어리 형태의 주석-셀레나이드 소재와 견줄 정도로 높은 성능을 보였다.

손재성 교수는 “원재료에 상당한 고온과 고압을 가하는 기존 방법은 생산비가 비쌀 뿐 아니라 원하는 방향으로 결정을 성장시키기 어려워 성능 확보가 어려웠다”며 “이번 기술은 간편하고 효율적일 뿐 아니라 주석-셀레나이드의 결정 방향까지 제어할 수 있어 향후 폭넓게 응용될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 세계적 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 20일(수) 온라인판에 발표됐다. 서울대의 이원보 교수, 기계연 부설 재료연의 강전연 박사, 금오공대의 박노진 교수, 한양대의 장재영 교수팀도 이 논문에 참여했다.

연구 지원은 한국표준과학연구원의 저차원 소재게놈 제어평가기술 개발 사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재원천기술개발사업 도전형소재기술개발프로그램 및 신진연구자사업을 통해 이뤄졌다. (끝)

논문명: Composition change-driven texturing and doping in solution-processed SnSe thermoelectric thin films

자료문의

대외협력팀: 장준용 팀장, 박태진 담당 (052)217-1232

신소재공학부: 손재성 교수 (052)217-2348

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

‘열전 기술’은 열전소재를 이용해 열 에너지를 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 열 에너지로 직접 변환하는 기술이다. 이 기술은 지열이나 산업 배·폐열, 체열, 태양열 등 다양한 형태의 열 에너지를 회수해 전기 에너지로 변환하는 새로운 청정 신재생에너지 기술로 주목받고 있다.

열전 기술은 ‘열전효과(thermoelectric effect)’를 기반으로 한다. 열전소재 양단에 온도 차이가 생기면 전하의 밀도 차이에 의해 전기를 만들어내는 힘(기전력)이 발생하는 효과다. 이 효과를 이용해 버려지는 열을 전기로 바꾸는 장치를 ‘열전발전기’라 부른다. 열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동하며, 현재 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 발전하는 기술이 널리 쓰인다.

열전발전기는 일반적인 발전기와 달리 구동부나 복잡한 구조가 없기 때문에, ‘열전 소재의 성능’이 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 요인이 된다. 따라서 열전 기술과 관련된 연구는 소재 개발과 발굴에 집중돼 왔으며, 그 중에서 2014년 보고된 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’는 대단히 우수한 성능으로 학계의 주목을 받았다.

주석-셀레나이드는 층상형 결정 구조 때문에 결정 방향에 따라 극명한 성능 차이를 갖고 있다. 따라서 이 소재의 결정 방향을 제어하는 기술이 성능을 확보하기 위해 반드시 필요한 과정이다. 그러나 그동안 이 부분에 어려움이 많아 주석-셀레나이드의 열전 성능이 기대치에 미치지 못하는 연구가 대부분이었다.

2. 연구내용

본 연구는 주석-셀레나이드의 결정 방향을 제어하기 위해 기존과 전혀 다른 접근법을 시도했다. 우선 주석-셀레나이드 분말을 아민계(-amine) 용매와 사이올계(-thiol) 용매를 섞어 만든 공용매(cosolvent)에 녹여 ‘열전 잉크’를 만들었다. 그런 다음 ‘스핀 코팅(spin coating)’ 공정을 이용해 박막형 열전 발전 소재를 제조했다.

제작된 열전 잉크는 사이올계 용매를 제거하기 위해 한 차례 정화 공정을 거친다. 사이올계 용매 내부에 존재하는 황(S) 원자가 박막의 조성에 악영향을 끼치기 때문이다. 이 정화 공정을 거치면서 주석-셀레나이드 입자는 독특한 ‘이온형 무기물 복합체(Sn₂Se₆⁴⁻)’로 구조가 바뀌는데, 이 복합체를 열처리함으로서 ‘깨끗한 박막’을 제조하는 게 가능해진다.

용액은 유리 기판 위에서 스핀 코팅을 거쳐 두께 100나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 이하의 매우 얇은 막을 형성한다. 이를 약 300℃의 온도에서 가열하면 셀레늄 원자들이 증발하면서 높은 배향성을 띠는 ‘주석-다이셀레나이드(SnSe₂)’ 결정이 성장한다.

주석-디셀레나이드는 대표적인 2차원 물질인 ‘전이금속 다이칼코제나이드(transition metal dichalcogenide)’에 속하며, 결정이 특정 방향으로 성장하는 성질이 강하다. 주석-다이셀레나이드 박막을 400℃에서 한 차례 더 가열하면 셀레늄 원자가 다시금 증발한다. 이때 주석-다이셀레나이드로부터 상전이가 일어나 최종적으로 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’ 구조를 이루게 된다.

제조된 열전 박막의 역률(power factor)*은 약 277℃에서 4.27㎼/㎝K²에 달했다. 이는 같은 온도에서 기존 벌크형 열전 소재의 성능을 뛰어넘는 수치다.

^*역률(power factor): 전기기기에 실제로 걸리는 전압과 전류가 얼마나 유효하게 일을 하는가 하는 비율. 역률이 낮다는 것은 전기가 실제로 일을 하지 못하고 낭비되는 무효전력이 크다는 말이다. 열전소재 평가에서 역률은 소재의 전기적인 물성이 얼마나 뛰어난지 보여주는 수치다. 이 수치가 높을수록 전자의 움직임이 활발하므로 더 좋은 열전소재로 평가된다. ㎼/㎝K²은 전기전도도와 제백계수의 제곱을 곱해서 구하는 역률의 단위 중 하나다.

3. 기대효과

이번 연구로 용액 공정을 통해 열전소재 결정의 고배향성 구조를 실현시키고, 나아가 고효율 초박막형 열전소자를 제작할 가능성을 증명했다. 용액 공정은 기존의 제작 방식에 비해 제작비가 저렴하고 응용성이 넓어 향후 다양한 분야에 응용될 수 있다. 특히 주석-셀레나이드와 유사한 결정구조를 갖는 물질에 적용할 수 있는 새로운 방법론을 제시했다는 의미도 있다.

또한 용액 공정을 통해 합성된 무기물 열전 잉크는 그 점성을 조절해 열전 페인트로 발전시킬 수 있다. 이를 3D 프린터 기술을 응용해 열전 3D 프린팅 기술로 확장시켰을 경우 대면적 열전 모듈 생산에 필요한 비용을 크게 절감할 것으로 전망된다.

[붙임] 그림 설명

그림 1. (a) 열전 잉크 및 박막형 열전소재 제작 과정 모식도. (b) 박막 사진 촬영 이미지. (c) 박막 표면 전자현미경 촬영 이미지. (c) 박막 단면 전자현미경 촬영 이미지

그림 2. 용액 정화 공정을 거친 후 다양한 용매에 분산되어 있는 열전 잉크

UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr