350도·상압서 상용급 성능…폐열 전기로 바꾸는 고성능 열전소재 나왔다[과학을읽다]

화학연, 은 셀레나이드 기반 zT 0.927 구현…데이터센터·웨어러블 전원 기대

고온·고압 공정 없이도 산업 폐열을 전기로 바꿀 수 있는 상용급 성능의 고밀도 열전소재가 개발됐다. 데이터센터 열관리부터 웨어러블 헬스케어 센서 전원까지 활용 범위가 넓어 차세대 에너지 회수 기술로 주목된다.

한국화학연구원은 강영훈 박사 연구팀이 약 350℃의 비교적 낮은 온도와 상압 조건에서 제조 가능한 은 셀레나이드(Ag₂Se) 기반 친환경 고성능 열전소재를 개발했다고 30일 밝혔다.

친환경적이고 경제적인 '은 셀레나이드(Ag2Se1.2) 열전 소재' 저온·상압 대량 제조 기술. 연구팀 제공

열전소재는 열과 전기를 상호 변환하는 소재로, 전자기기 냉각과 산업 폐열 발전 분야의 핵심 기술로 꼽힌다. 현재 상용화 소재는 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃) 계열이 대표적이지만 희귀 원소 사용과 높은 제조 비용, 독성 문제가 한계로 지적돼 왔다.

연구팀은 은 셀레나이드 나노입자를 수용액 공정으로 합성한 뒤 셀레늄을 추가한 새로운 조성(Ag₂Se₁.₂)을 설계했다. 열처리 과정에서 셀레늄이 낮은 온도에서 액체로 변해 입자 사이 빈 공간을 메우고 치밀한 구조를 형성하도록 하는 방식이다. 이른바 액상 소결과 유사한 원리를 저온·상압에서 구현한 것이다.

열전소재 적용 사례. 연구팀 제공

이 구조는 전기 전도성은 높이고 열전도율은 낮춰 발전 효율을 극대화한다. 실제 개발된 n형 소재는 393K(약 120℃)에서 열전 성능지수(zT) 0.927을 기록해 기존 상용 n형 소재 수준인 1.0에 근접했다.

기계적 강도도 크게 향상됐다. 압축 강도와 탄성률은 기존 대비 2배 이상 높아져 복잡한 구조의 열전 모듈이나 맞춤형 제품 제작 가능성을 키웠다.

특히 기존처럼 최대 1000℃에 달하는 고온 공정이나 수백 메가파스칼(MPa) 수준의 고압 소결 장비 없이 350℃ 열처리만으로 고밀도 구조를 구현해 공정 단순화와 제조 비용 절감 효과도 기대된다.

이번 기술은 공장 폐열, 차량 배기가스, 데이터센터, 태양열 발전 시스템 등에서 버려지는 열을 회수해 전력으로 전환하는 소형 발전 시스템에 적용할 수 있다. 장기적으로는 웨어러블 IoT 기기와 헬스케어 센서의 보조 전원으로도 활용 가능성이 크다.

연구 성과는 재료 분야 국제학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials 1월호에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr