친환경 열전 소재 대량 생산 기술 개발

구리황화물(CuS) 기반의 열전 소재 대면적·대량 생산 기술 개요. 화학연 제공

국내 연구팀이 물체 사이의 온도 차이로 전기를 생산하는 친환경 열전 소재를 저렴하게 대량 생산하는 기술을 개발했다. 상용화되면 웨어러블 기기나 산업 폐열 회수에 활용될 것으로 기대된다.

한국화학연구원은 조동휘 화학소재연구본부 선임연구원, 이정오 책임연구원, 이예리 화학데이터기반연구센터 선임연구원 연구팀이 전석우 고려대 신소재공학부 교수팀과 함께 구리황화물(CuS) 기반의 열전소재 박막 제조 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '인포멧(InfoMat)' 11월 표지논문으로 공개됐다.

발전소·선박·차량 등 산업과 기계에서 발생하는 에너지는 65% 이상이 열로 손실된다. 물체의 온도 차이로 전기를 생산하는 열전 시스템은 폐열을 재활용해 탄소 배출을 줄일 수 있는 기술로 주목받고 있다.

기존 상용 열전 소재인 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3), 리드 텔루라이드(PbTe) 등의 합금 소재는 열을 전기로 변환하는 효율이 좋지만 가격이 비싸고 인체에 독성이 있어 사용이 제한적이다.

연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 소재인 CuS에 주목했다. 얇은 구리(Cu) 호일을 황(S) 용액에 담가 CuS가 결정화되는 과정을 정밀하게 제어하는 데 성공하고 결정 성장 원리를 규명했다. 기존 합성법으로 CuS 나노입자를 만드는 방식보다 공정이 간단하고 대면적으로 생산하는 데 용이하다.

연구팀이 제작한 CuS 박막은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥 모양으로 열 이동을 막아 열이 일부 구역에만 맴돌도록 했다. 차가운 부분과 온도 차이가 오래 유지될수록 열전 소재의 열-전기 변환 효율이 높아진다.

개발된 CuS 박막은 367.85℃에서 열전 성능지수인 ZT 값 0.91을 기록했다. ZT 값이 클수록 열에너지를 전기로 변환하는 성능이 좋다. 기존 텔루라이드 합금 소재는 온도에 따라 ZT값이 1 이상 나오기도 한다. 연구팀은 "기존 상용 열전 소재와 비교할 수 있는 매우 높은 열전 성능을 보여주었다"며 "300~400℃ 범위의 산업 기계에 적합할 것으로 예상된다"고 설명했다.

CuS 박막은 다양한 기판에 잘라 붙일 수 있어 활용도가 높다. 연구팀은 개발한 박막을 장갑에 적용해 무선 온도 탐지 기능을 추가한 스마트 장갑도 만들었다. 향후 CuS 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 수확 기술에 적용해 상용화할 계획이다.

연구팀은 "기존 상용 소재보다 저렴한 재료로 원하는 구조를 정밀하게 만들 수 있고 대량 생산이 가능하다는 점이 차별점"이라고 말했다.

이영국 화학연 원장은 "환경 열전 박막 소재가 폐열 회수 시장 개척 및 웨어러블 기기 제품 혁신으로 이어져 미래 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/inf2.12626

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]