한미 연구팀 세계 최고 효율 열전소재 개발했다

서울대-미국 노스웨스턴대 공동 연구

정인 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀은 열전소재의 효율을 20% 이상 끌어올린 주석셀레늄계 소재를 개발하는 데 성공했다. 노스웨스턴대 제공

현재 화성을 탐사 중인 미국의 탐사 로버 ‘퍼시비어런스’는 방사성 원소인 플루토늄이 붕괴하면서 내는 열을 전기로 바꿔 에너지를 얻는다. 하지만 열을 전기로 바꾸는 변환 효율은 4~5%에 머물고 있다. 전기를 생산하기 어려운 화성에서는 충분히 쓸만 하지만 지구에서는 효율적인 에너지원은 아니다. 국내 연구팀이 오랫동안 한계로 지적된 열전 발전의 효율을 20% 이상으로 끌어올린 소재를 개발했다. 지금까지 개발된 열전 소재 가운데 세계에서 가장 효율이 높다는 평가다. 

정인 서울대 화학생물공학부 교수팀은  메르쿠리 카나치디스 미국 노스웨스턴대 화학부 교수 연구팀과 공동으로 주석과 셀레늄을 이용한 다결정 소재를 이용해 세계 최초로 열전성능지수(ZT·열전발전의 효율) 3을 넘기는데 성공했다고 밝혔다. 

전 세계적으로 생산된 에너지의 65% 이상은 사용되지 못하고 열로 사라진다. 온도차를 이용해 전기를 생산하는 열전 기술은 이러한 폐열을 전기에너지로 직접 변환할 수 있다. 하지만 지금까지 개발된 소재들은 유독한 납과 지구상에서 8번째로 희귀한 원소인 텔루늄을 활용하는 등 상용화에 어려움이 있었다. 발전 효율이 낮은 것도 문제였다. 퍼시비어런스를 비롯한 화성탐사 로버에 탑재된 열전소재도 낮은 효율을 활용할 수밖에 없었다.

카나치디스 교수팀은 이를 대체하기 위한 소재를 찾던 중 2014년 셀레늄화주석 단결정 소재로 ZT 2.6을 달성해 국제학술지 ‘네이처’에 소개했다. 그러나 다이아몬드처럼 만들어지는 단결정 소재는 대량 생산이 어렵고 가공도 힘들어 상용화가 어렵다는 점이 문제로 꼽혔다. 이를 다결정으로 만들면 열이 결정 사이를 오가면서 방출돼 열전효율이 낮아지는 문제가 있었다. 또 결과가 재현되지 않아 네이처에 셀레늄화 주석 소재의 열전성능에 대해 반박하는 논문이 나오기도 했다.

연구팀은 셀레늄화주석의 구조를 분석해 원인을 찾았다. 주석을 활용하는 소재인 페로브스카이트 전고체 태양전지를 세계 처음으로 만든 정 교수팀은 순도 높은 주석이라도 표면이 산화물로 덮인다는 점을 주목했다. 전도성 물질인 산화물을 따라 열을 흐르면서 열전효율이 떨어진 것이다. 연구팀은 주석의 산화물을 제거한 후 셀레늄과 반응시키고 이후로도 추가로 순도를 높이는 공정을 개발해 문제를 해결했다.

연구팀이 개발한 주석셀레늄계(SnSe) 신소재는 기존 소재보다 월등한 성능을 보였다. 서울대 공대 제공

그 결과 이 소재는 섭씨 510도에서 ZT가 3.1인 것으로 나타났다. 소재 중 처음으로 3을 돌파했다. 납 텔루늄 소재 중 지금까지 최고 성능을 보인 소재의 ZT가 2.6이었던 것을 감안하면 매우 높은 수치다. 에너지 변환효율도 20%를 넘겨 기존 소재들이 기록한 5~12%보다 높았다. 정 교수는 “지도교수였던 카나치디스 교수에게도 샘플을 보내고 열전도도를 측정하는 회사에도 소재를 보내 교차검증을 통해 정확한 수치를 얻었다”고 말했다.

정 교수는 “지금까지는 주석셀레늄계 소재를 발표해도 재현성 문제로 논란이 많았으나 문제가 해결됐다”며 “이제 페로브스카이트 소재가 태양전지 연구의 대전환을 이룬 것처럼 다결정 주석셀레늄계 신소재가 초고성능 열전발전기술 상용화의 새로운 지평을 열 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’에 3일 발표됐다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]