June 19,2019

폐열을 전기로 바꾸는 소재 기술 개발

IBS, 다결정 셀레늄화 주석 성능 저하 원인 밝혀

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기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 정인 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 팀이 친환경·고성능 열전소재 상용화를 앞당길 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

열전소재는 열에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 그 반대 방향으로도 가능하다.

폐열, 신체의 온도, 태양열 등을 모아 전력을 생산할 수 있다.

열전소재 효율은 열전도도와 전기전도도에 따라 결정된다.

다결정 셀레늄화 주석이 대표적인 소재로 꼽히지만, 성능상 한계가 있다.

연구팀은 ㎚(나노미터) 수준에서 시료를 관찰할 수 있는 구면수차 보정 주사 투과전자현미경을 이용해 성능 저하 원인을 규명했다.

산소 노출을 현저히 제한한 환경에서 합성한 다결정 셀레늄화 주석에도 시료 안에 극소량의 산화주석 나노입자가 존재하는 것을 관찰했다.

산화주석은 셀레늄화 주석보다 열전도도가 140배가량 높다.

소재 전체 열전도도를 향상해 되레 열전성능을 저해했다는 뜻이다.

다결정 셀레늄화 주석 성능 저하 원인을 실험과 데이터를 통해 규명한 연구는 그간 없었다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 더 나아가 산화주석 나노입자를 효과적으로 제거하기 위한 방법을 개발했다.

셀레늄화 주석 분말을 나노 크기로 분쇄한 후 저농도 수소 가스를 높은 온도에서 흘렸다.

그랬더니 문제가 되는 산화주석이 간단하게 제거됐다.

연구팀의 다결정 열전소재 열전성능 지수는 2.5 이상을 기록했다.

이는 동일한 작동온도에서 기존 단결정 셀레늄화 주석 열전소재에 버금가는 수치다.

현재 학계에 보고된 모든 다결정 소재 중 가장 우수하다고 연구팀은 강조했다.

정인 연구위원은 “친환경·고성능 열전소재인 셀레늄화 주석을 저렴하게 만들어 활용할 수 있는 길을 연 것”이라며 “열전기술 상용화에 한걸음 가까워졌다고 볼 수 있다”고 말했다.

성과를 담은 논문은 셀(Cell) 자매지인 ‘줄’(Joule) 최신호에 실렸다.

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