열전소재 내부의 나노입자 생성·성장·분리 메커니즘 규명

나노입자를 함유한 칼코젠 화합물 합성기술 및 소재 개발

진주 한국세라믹기술원 도환수 박사와 부산대 재료공학부 이정우 교수는 최근 공동연구를 통해 “나노입자를 함유한 칼코젠 화합물 합성기술 및 소재” 개발에 성공했다.

연구팀이 개발한 '나노입자를 함유한 칼코젠 화합물 합성기술'은 1000℃에서 용융한 칼코젠 화합물을 실온으로 급속 냉각한 후 열제어 공정을 통해 나노미터급의 다양한 형상을 만들 수 있다.

그동안 많은 연구팀이 PbTe(납텔루라이드) 내부에 나노입자를 합성하려고 시도했으나 고용도와 존재하는 온도영역의 구간이 협소하여 합성이 어려웠다.

▲부산대학교 이정우 교수

▲한국세라믹기술원 도환수 박사

연구팀은 이론적으로 360~575℃의 특정 구간에서만 존재하던 형상을 PbTe(납텔루라이드)에 적용하여 합성한 결과 형상이 생성되는 구간이 250~700℃로 확대됨을 확인했다.

이를 통해 PbTe(납텔루라이드) 소재 내부에 Ag-Sb-Te(AgSbTe₂) 나노입자를 분산시키고 소재(PbTe)와 나노입자의 균질한 계면을 형성함으로써 선택적 열전도도 제어를 구현하여 나노입자의 핵생성에서부터 성장 및 상분리 메커니즘을 규명했다.

그 결과 전기적 특성은 유지하면서 열전도도를 낮추어 열전소자의 성능을 향상시킬 수 있었다.

또한 연구팀은 합성기술을 통해 기존 열전소재에 쓰이던 PbTe(납텔루라이드)에 Ag(은)와 Sb(안티모니)를 합성하여 열전도도가 최대 30% 개선된 소재도 개발했다.

한국세라믹기술원 도환수 박사는 “나노입자를 선택적으로 활용하여 열에너지 효율을 제어할 수 있는 신소재를 개발했다는데 의의가 있다”며 “산업분야에서 재생되지 못하고 버려지는 자동차 폐열 회수 발전뿐만 아니라 우주항공분야, 바이오, 무선센서 네트워크(WSN) 등에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

실제로 산업폐열의 경우, 제철소에서 철강공정에 사용되는 에너지 중 48.7%만 제강공정에 사용되고 7.8%는 폐열을 온수로 재활용하여 지역난방에 공급하고 있으나 나머지 43.5%의 에너지는 폐열로 방출되고 있는 실정이다.

▲벌크형 열전재료 내부에 나노입자를 형성시켜 열전도도를 제어하여 열전 성능을 향상시키는 모습.ⓒ한국세라믹기술원

국내에서 버려지는 산업폐열의 10%를 발전으로 변경할 경우 국내 전체 화력발전의 25%에 해당하는 전력을 생산할 수 있을 것으로 예측되고 있다.

이번 연구결과는 영국왕립화학회가 발행하는 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 4월호 후면 표지논문으로 게재됐다.