소재 속 결함 제어해 열전 성능 91% 높였다

포스텍, 산소 빈자리 조절해 폐열 전기로 바꿔

국내 연구진이 산소의 ‘빈자리’라는 미세한 결함을 조절해 버려지는 열로 전기를 만드는 기술의 성능을 획기적으로 높였다./포스텍

버려지는 열을 전기로 바꾸는 길이 한층 넓어졌다. 국내 연구진이 복잡한 신소재 개발 대신 기존 재료의 구조적 특성을 활용해 효율을 끌어올리는 데 성공했다.

포스텍 진현규 기계공학과 교수, 김민영 박사 연구진은 이동화·최시영 신소재공학과 교수, 조셉 헤레만스(Joseph P. Heremans) 미 오하이오주립대 교수와 함께 산소의 ‘빈자리’라는 미세한 결함을 조절해 버려지는 열로 전기를 만드는 기술의 성능을 획기적으로 높였다고 25일 밝혔다.

매일 우리 주변에서는 엄청난 양의 열이 그냥 사라지고 있다. 공장 굴뚝에서 뿜어져 나오는 뜨거운 증기, 자동차를 운전할 때 엔진에서 나오는 열, 심지어 스마트폰이나 컴퓨터를 사용할 때도 열이 발생해 공기 중으로 날아간다. 이 열을 다시 전기로 바꿀 수 있다면 에너지 낭비와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있다.

이런 배경에서 과학자들이 주목하고 있는 기술이 바로 온도 차이를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 ‘열전 기술’이다. 특히 ‘횡방향 열전 기술’은 열이 흐르는 방향과 수직으로 전류를 만드는데, 이 방식은 구조가 단순하고 효율이 높아 미래 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 주로 소재 자체의 특성에만 의존해 실제 산업에서 쓸 수 있는 재료의 종류가 제한적이라는 한계가 있었다.

연구진은 문제를 해결하기 위해 산소의 ‘빈자리’에 주목했다. 빈자리란 원래 있어야 할 산소 원자가 빠져서 생긴 아주 작은 공간을 말한다. 언뜻 보기에는 재료의 결함처럼 보이지만, 연구진은 이 빈자리의 개수를 정밀하게 조절하면 오히려 성능을 크게 높일 수 있다는 점을 발견했다.

실제로 산소 빈자리 양을 다르게 조절해 세 가지 종류의 시료를 만들어 실험을 한 결과, 산소 빈자리가 가장 많은 시료에서 열전 성능이 무려 91%나 향상되는 놀라운 결과를 얻었다.

연구진은 이 현상이 일어나는 이유를 두 가지로 설명했다. 먼저 산소 빈자리가 많아지면 재료 안에서 전하가 온도 차가 있는 방향으로 더 활발히 움직일 수 있다. 그로 인해 전기를 만들 때 중요한 ‘엔트로피 기반 이동’이 강화돼 전체적인 효율이 높아진다. 또 산소 빈자리가 재료의 결정 구조를 미세하게 비틀면서, 곧게 흐르던 전하의 일부가 옆으로 방향을 틀게 된다. 이는 마치 자동차 바퀴에 옆으로 토크가 걸려 진행 방향이 틀어지는 것과 같은 원리로, 온도 차와 수직인 횡방향 열전 효율을 크게 높인다.

이번 연구의 가장 큰 의미는 복잡하고 비싼 신소재를 개발하지 않고, 기존 재료 내 결함만 조절해 성능을 대폭 향상했다는 점이다.

연구를 이끈 진현규 교수는 “이 전략은 다양한 열전 소재에 폭넓게 적용할 수 있어 더 효율적이고 실용적인 에너지 회수 기술 개발에 크게 기여할 것”이라고 전했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 표지 논문으로 게재됐다.

참고 자료

Advanced Science(2025), DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202502892

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