응용물리학과 이종수 교수 연구팀(이종수 교수, 김진희 박사, 윤재현 박사)이 새로운 접근법을 개발해 열전소재의 열적 안정성을 크게 높였다. 사진 왼쪽부터 이종수 교수, 김진희 박사.

응용물리학과 이종수 교수 연구팀, 새로운 접근법으로 고온에서도 안정적인 열전소재 개발
소재의 불안정성 역이용해 성능을 증대시켜

열전효과(thermoelectric effect)는 열과 전기가 서로 변환되는 현상을 의미한다. 열전소재는 열을 전기로 변환시켜 발전에 활용하거나, 전기를 이용해 온도 차를 발생시켜 주변을 냉각하는 친환경 에너지 변환소재다. 최근 열전소재의 성능지수가 크게 높아져 열전효과가 접목된 냉장고가 출시되는 성과도 있었다. 하지만 고온에서 작동할 때 소재가 열적으로 불안정한 문제가 남아있어 해결 방안이 필요하다.

열적 안정성 개선해 에너지 효율성 높여
응용물리학과 이종수 교수 연구팀(이종수 교수, 김진희 박사, 윤재현 박사)이 새로운 접근법을 개발해 열전소재의 열적 안정성을 크게 높였다. 기존 열전소재는 고온에서 은-텔레늄(Ag2Te)과 안티몬-텔레늄(Sb2Te3)의 상이 분리되며 전자와 정공이 엉켜 성능이 떨어졌다. 연구팀은 이 상분리 현상을 역이용해 상분리가 안정화되면서 성능 저하가 없는 조건으로 고온과 상온을 빠르게 오가면서 열적 요동을 가했다. 그 결과 열전소재의 입자가 열분해 되면서 열적으로 안정화됐다. 이 과정에서 생성된 준안정상은 열적으로 안정화돼 이후에도 안정한 특성을 보였다. 이종수 교수는 “소재의 불안정성을 역이용해 성능을 증대시킨 결과”라고 설명했다.

이종수 교수 연구팀이 개발한 열전소재(AgSbTe2)는 고온에서 성능이 떨어졌다. 이는 높은 온도에서 은-텔레늄(Ag2Te)과 안티몬-텔레늄(Sb2Te3)으로 분리돼 전자의 흐름이 방해받기 때문이다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 소재에 빠르게 고온과 상온을 오가는 열적 요동을 가했다. 그 결과 은-텔레늄이 은(Ag)과 텔레늄(Te)으로 분해되며, 열전소재 내부에 은 나노입자와 안티몬-텔레늄이 형성됐다. 이렇게 형성된 구조는 열적으로 안정해 고온에서도 성능이 유지됐다.

AgSbTe2의 열처리 조건에 따른 다양한 상분리 상태의 전자현미경 사진 및 모식도

열적 안정성이 개선된 고효율 열전모듈은 전기 에너지 변환에 따른 에너지 효율성을 높인다. 이 열전모듈을 활용해 태양열, 지열, 폐열 등 다양한 신재생 에너지를 전기로 보다 쉽고 효율적으로 전환할 수 있어 탄소중립 달성에 크게 기여할 것으로 전망된다. 예를 들어, 태양열을 활용한 발전 시스템에서 이러한 열전모듈을 적용하면, 낮 동안 흡수된 태양열을 효율적으로 전기로 변환해 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 이는 에너지 자원의 효율성을 극대화할 뿐만 아니라, 화석 연료 사용을 줄이고 환경 보호에도 크게 기여할 수 있다.

또한 산업 현장에서의 변화도 기대된다. 산업 기계나 공정에서 발생하는 폐열을 전기로 변환해 에너지 손실을 최소화하고 전력 소비를 줄일 수 있다. 열전소재의 특성은 극한 환경에서도 사용할 수 있어 다양한 분야에서 응용될 전망이다.

연구를 지도한 이종수 교수는 “매우 단순한 방식으로 열전소재의 열적 안정성을 높였다. 발상의 전환을 통해 얻은 좋은 결과”라고 연구 의의를 설명했다. 이종수 교수는 앞으로도 열전효과를 활용한 다양한 응용 기술 개발에 힘쓸 계획이다. 이번 연구는 가치를 인정받아 응용물리 분야의 세계적 저널인 ＜Advanced Functional Materials＞ 5월호에 게재됐다. 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr


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