서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 화학생물공학부 정인 교수팀이 세계 최고 성능 n형 열전 신소재를 개발했다고 밝혔다.

전 세계 에너지 생산량의 약 80%는 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료를 기반으로 생산되며, 전체 생산 에너지 중 67%는 사용되지 못하고 열에너지의 형태로 버려진다.

버려지는 열에너지(폐열)를 회수해 사용할 수 있는 에너지 변환은 전 지구적 에너지 효율 개선과 동시에 에너지 생산을 위한 인력, 자원, 환경 파괴 등의 상당 부분을 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.

열전기술은 열과 전기의 상호 변환을 통해 폐열을 전기에너지로 변환할 수 있는 기술로 주목 받았다. 열전발전 기술은 고체 형태의 열전 반도체 소재를 통해 구현되며, 발전 시 소음, 진동, 화학물질이 발생하지 않아 안정적이고 친환경적인 발전 기술이지만 그동안 열전 소재의 낮은 성능이 상용화의 걸림돌이었다.

열전 소재의 성능은 소재의 전기적 특성과 열적 특성 등 다양한 물리적 성질의 복합적 작용으로 결정되며, 물리법칙으로 연관된 여러 물성 간의 상관관계를 깨고 열전 성능을 높이는 것은 난제로 꼽힌다.

매장량이 풍부한 주석(Sn)과 셀레늄(Se)으로 이뤄진 셀레늄화주석(SnSe)은 2014년 단결정 형태의 소재가 높은 열전 성능을 보이는 것이 발견돼 주목받았지만, 비싼 생산 비용과 낮은 기계적 안정성으로 인해 상용화에 제약이 있었다. 이에 산업화에 유리한 다결정 소재의 연구가 더 활발히 진행됐고, 최근 p형 다결정 SnSe 소재는 세계 최고 수준의 열전성능지수를 기록했다.

하지만 SnSe의 고유한 p형 성질로 인해 다결정 n형 SnSe 소재의 개발은 매우 어렵고, 효과적인 열전 성능 향상 전략이 부족한 상황이었다. 열전소자는 p형 소재와 n형 소재로 구성되기 때문에 p형 소재에 맞는 n형 소재의 개발이 필수적이다.

정인 교수팀은 고체 물질의 결정구조를 원자 단위에서 조작하고 이를 통해 열과 전하 이동성질을 규정하고 이들의 독립적 제어를 불가능하게 하는 기본 물리법칙을 깨고 기존 소재의 한계를 넘어서는 혁신적인 연구전략을 개발했다.

도입되는 두 종의 원소가 각각 열적 성질과 전기적 성질을 동시에 독립적으로 제어해 2.23의 열전성능지수를 기록했다. 이는 현재까지 보고된 n형 다결정 열전 소재 중 최고 성능이며, 미국 항공우주국(NASA)의 화성탐사우주선과 화성표면 탐색 로버의 에너지원으로 사용된 고가의 PbTe계 소재의 성능을 크게 뛰어넘는다.

정인 교수팀은 이번 연구 성과는 열전 소재의 성능 향상을 위한 소재 디자인과 기존 개념을 뛰어넘는 혁신적인 성능 향상 전략 개발의 중요성을 보여준다”며 “열전기술 상용화에 새 지평을 열 것이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 한-인도 협력기반조성사업이 지원했으며, ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘줄(Joule)’의 3월 7일 자 온라인 최신호에 게재됐다.