열을 전기로 바꿀 '열전소재', 손쉽게 만드는 방법 개발

UNIST 손재성 교수팀, 초박막형 고배향·고효율 열전소재 제작법 개발

용액공정으로 얇게 만든 열전소재(주석-셀레나이드)의 모습

[아시아경제 김철현 기자] 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 높였다.

울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)은 신소재공학부의 손재성 교수팀과 한국표준과학연구원 신호선 박사팀이 공동으로 '주석-셀레나이드(SnSe)'의 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만드는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 이 연구는 세계적 과학저널 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 이날 발표됐다. 이번에 개발한 공정은 재료를 용액에 녹여 열전 잉크로 합성한 뒤 가열하는 방식이라 손쉽고 저렴하다. 제작된 소재의 성능은 기존 덩어리(bulk) 형태의 열전소재에 뒤지지 않았으며 공정 자체도 간단해 다양한 분야로 응용할 잠재성이 큰 것으로 평가됐다.

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. 2014년 처음 보고된 주석-셀레나이드는 성능 면에서 1~2위를 다툴 정도로 주목받는 열전소재지만 이 물질의 결정 구조를 제어하기 어려워 기대 만큼 우수한 열전 효율을 보이진 못했다.

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