▲ (左부터) 화학연 정명훈 박사후연구원, 박병욱 선임연구원, 한미정 책임연구원, 강영훈 책임연구원이 친환경적이고 경제적인 ‘은 셀레나이드(Ag2Se1.2) 열전 소재’ 저온·상압 대량 제조 기술을 개발했다.

국내 연구진이 공정 단순화와 비용 절감을 동시에 달성할 수 있는 열전소재 기술을 확보하며 산업 폐열 회수와 차세대 에너지 자립형 기기 구현 가능성을 제시했다.

한국화학연구원은 강영훈 박사 연구팀이 기존 대비 낮은 온도와 상압 조건에서 제조 가능한 고밀도 은 셀레나이드(Ag₂Se) 기반 고성능 열전소재를 개발했다고 31일 밝혔다.

열전소재는 열과 전기를 상호 변환하는 기능성 소재로, 전류를 흘려 냉각 효과를 얻는 펠티어 방식과 온도 차로 전기를 생산하는 제백 방식으로 구분된다. 펠티어 방식은 전자기기 냉각과 소형 냉장기기 등에 널리 활용되고 있으며, 제백 방식은 우주탐사 장비나 산업 공정·차량 배기가스의 폐열을 전기로 전환하는 발전 기술로 주목받고 있다.

현재 상용화된 대표 소재는 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃) 계열이지만, 텔루륨 등 희귀 원소 의존도가 높고 독성 및 가격 변동성 문제가 존재한다. 또한 고성능 구현을 위해 복잡한 합금화와 도핑 공정이 요구되는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 은(Ag)과 셀레늄(Se) 두 원소만으로 구성된 은 셀레나이드 소재를 활용했다. 해당 소재는 자원 확보 측면에서 유리하고, 제조 과정에서 유해 물질 배출이 없어 친환경성이 높다.

특히 수용액 공정을 통해 Ag₂Se 나노입자를 합성한 뒤 셀레늄을 추가 도입한 새로운 조성(Ag₂Se₁.₂)을 설계하고, 간단한 열처리만으로 고밀도 구조 형성에 성공했다. 이 과정에서 셀레늄이 낮은 온도에서 액상으로 전이되는 특성을 활용해 액상 소결과 유사한 효과를 구현했다.

열처리 과정 중 액체 상태의 셀레늄이 입자 간 빈 공간을 채우며 결합을 유도하고 입자 성장을 촉진해 치밀한 구조를 형성한다. 이 구조는 전기 전도도는 유지하면서 열전도도를 효과적으로 억제해 열전 성능 향상에 기여한다.

성능 평가 결과, 개발된 n형 소재는 약 120℃(393K)에서 열전 성능지수(zT) 0.927을 기록하며 기존 상용 소재 수준(약 1.0)에 근접한 성능을 나타냈다. 동시에 압축 강도와 탄성률은 기존 대비 2배 이상 향상돼 기계적 안정성 측면에서도 경쟁력을 확보했다.

제조 공정 측면에서도 의미 있는 성과다. 기존 열전소재가 약 1,000℃ 이상의 고온과 수백 MPa의 고압 소결 공정을 요구한 것과 달리, 이번 기술은 약 350℃의 저온과 상압 조건에서 열처리만으로 고밀도 구현이 가능하다. 이에 따라 공정 단순화와 생산 비용 절감 효과가 기대된다.

이번 기술은 산업 공정 폐열 회수 시스템, 데이터센터 열 관리, 태양열 기반 발전 등 다양한 에너지 전환 분야에 적용 가능하다. 나아가 웨어러블 IoT 기기와 헬스케어 센서의 보조 전원 등 초소형 자가발전 시스템으로의 확장성도 주목된다.

연구팀은 복잡한 도핑이나 고온·고압 공정 없이도 고성능 열전소재를 구현한 점을 핵심 성과로 강조했다.

한편, 이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’ 2026년 1월호에 게재됐다. 화학연 정명훈 박사후연구원과 박병욱 박사가 제1저자로 참여했으며, 강영훈 박사와 한미정 박사가 교신저자로 참여했다.