^*열전 성능 지수(Thermoelectric figure of merit, ZT): 열전 소재의 에너지 변환 효율을 평가하는 지표.

^*벌크(bulk): 열전소재 입자가 쪼개지지 않은 덩어리 상태

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

열전 기술은 ‘열전효과(thermoelctric effect)’를 기반으로 한다. 열전소재 양 끝단에 온도 차가 발생하면 전하 캐리어(전자, 정공)의 확산으로 밀도 차이가 생겨난다(제베크효과). 이러한 밀도 차이로 전기를 만들어내는 힘 (기전력)이 발생하고 이를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 장치를 ‘열전발전기’라고 한다.

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 ‘납-텔루라이드(PbTe)’는 중-고온 대역에서 대단히 우수한 성능으로 학계의 주목을 받아왔다.

한펴, 배기 가스관에서 발생하는 중-고온 대역의 열을 효율적으로 전기로 변환하기 위해서는 3D 프린팅 가능한 열전소재(열전 잉크 소재) 개발이 필요했다.

열전소재 3D 프린팅 기술은 유기물 결합제를 사용하여 진행된 바 있으나 잔류 유기물로 인해 전기적 물성의 저하가 매우 극심하여 문제가 되어왔다. 따라서 유기물 결합제가 포함되지 않은 열전 잉크의 개발이 필연적이었다.

2. 연구내용

본 연구는 납-텔루라이드의 3D 프린팅을 위해 유기물 결합제를 사용하지 않는 접근법을 시도했다. 납-텔루라이드는 배기가스관 내부 온도인 400°C~800°C 열전 성능이 우수해 파프형 발전기 제작에 적합하다.

우선 납-텔루라이드 합금화 공정에서 p형 열전소재 제작을 위한 나트륨 (Na)도핑제를, n형 열전소재 제작을 위한 안티모니(Sb) 도핑제를 각각 넣고 볼-밀링을 통한 기계적 합금화 공정을 진행하였다.

제작된 분말을 글리세롤 용매에 녹여 ‘열전 잉크’를 만들었다. 그런 다음 3D 프린팅 공정으로 파이프형 열전 발전기를 제조했다.

합금화된 열전 분말은 표면 전하를 제타 전위 분석법으로 분석했다. 이를 통해 p형 열전 분말은 –전하, n형 열전 분말은 +전하를 띄며 도핑을 통해 점탄성을 가진 열전 잉크가 만들어지는 것을 확인하였다.

열전 소재 3D 프린팅 기술을 통해 제작된 납-텔루라이드는 크기와 형태의 관계없이 일정한 열전 물성을 가지고 있으며, p형은 1.4, n형은 1.2에 달하는 열전 성능지수를 가짐을 확인하였다. 이는 같은 조성의 기존 벌크형 열전 소재의 성능과 비슷한 수치다.

3D 프린팅 기술을 활용해 제작된 파이프형 열전발전기는 기존 열전발전기를 파이프에 부착하는 것에 비해 전체 시스템이 매우 단순해지고 추가공정이 필요하지 않아 효율적이다. 파이프 내부를 지나는 열원으로부터 열을 직접적으로 전달받기에 열손실을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다. 시뮬레이션을 통한 비교 결과 약 500 °C의 뜨거운 기체가 흐를 때, 파이프형 열전발전기는 파이프 위에 부착한 열전발전기보다 1.8배 이상의 발전 능력을 보여주었다.

또 제조된 열전 발전기의 출력전력밀도는 300 °C의 온도 차이에서 154 mW/cm2에 달했다. 이는 보고된 파이프형 열전발전기의 성능 중 가장 뛰어난 수치다. 

3. 기대효과

이번 연구로 납-텔루라이드 소재의 3D 프린팅 적용시켰고, 나아가 고효율 파이프형 열전발전기를 제작해 기술의 가치를 증명했다. 도핑을 통한 열전 잉크 제작 기술은 열전성능을 저하하지 않고 3D 프린팅에 활용될 수 있고 응용성이 넓어 향후 다양한 분야에 응용될 수 있다. 특히 파이프형 열전발전기를 제작하여 기존 수송기기, 대형플랜트의 배기관을 대체할 수 있을 것이라는 가능성을 제시했다는 의미도 있다.

또한, 3D 프린팅 공정을 개선하여 마이크로 열전소자를 제작할 수 있을 것이라 기대한다. 게다가 다양한 열전 잉크들을 사용하여 광범위한 온도 대역에서 고효율의 발전 능력을 갖춘 분할형(segmented) 열전발전기 제작도 실현할 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 납-텔루라이드(PbTe)의 3D 프린팅 공정

그림 2. 점탄성 열전 잉크 제조 원리 납-텔루라이드(PbTe) 입자에 나트륨(Na)과 안티모니(Sb)를 각각 도핑하면 입자 표면에 음전하(-)와 양전하(+)가 생긴다. 이 표면 전하로 인한 입자간 반발력이 입자의 운동을 방해해 점탄성이 증가한다.

그림 3. 3D 프린팅된 열전소재를 이용한 열전발전기 (a) 파이프형 열전발전기 단면도 (b) 파이프형 열전발전기 구성 부품 (c) 파이프형 열전발전기 촬영이미지 및 모식도