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

국내 연구진이 나노입자를 선택적으로 활용해 열에너지 효율을 제어할 수 있는 신소재를 개발해 산업폐열을 회수해 전기를 생산할 수 있는 방법을 제시했다.

한국세라믹기술원(원장 유광수) 도환수 박사와 부산대(총장 전호환) 재료공학부 이정우 교수는 최근 공동연구를 통해 ‘나노입자를 함유한 칼코젠(chalcogen) 화합물 합성기술 및 소재’ 개발에 성공했다고 지난 29일 밝혔다.

연구팀이 개발한 ‘나노입자를 함유한 칼코젠 화합물 합성기술’은 1,000℃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 협소해 합성이 어려웠다.

이에 공동연구팀은 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 합성해 열전도도가 최대 30% 개선된 소재도 개발했다.

이를 활용하면 산업분야에서 재생되지 못하고 버려지는 폐열을 가지고 전기를 생산할 수 있다. 제철소에서 철강공정에 사용되는 에너지 중 43.5%의 에너지가 폐열로 방출되고 있는데 산업폐열의 10%를 발전으로 변경할 경우 국내 전체 화력발전의 25%에 해당하는 전력을 생산할 수 있을 것으로 예측되고 있다.

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

이번 연구결과는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)가 발행하는 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리(Journal of Materials Chemistry C, JMCC) 4월호 후면 표지논문으로 게재되었다.