경북대-연세대 연구팀, 고효율 고온용 나노 열전 소재 개발

경북대 노종욱 교수

경북대 나노소재공학부 노종욱 교수팀은 연세대 신소재공학과 이우영 교수팀과 공동 연구를 통해 열전 변환 성능이 높은 고온용 나노 복합 구조 열전 소재를 개발했다. 경북대·연세대 연구팀은 금속 나노입자를 포함하는 망간 실리사이드 나노복합체를 제조하고, 이를 이용해 열전 에너지 변환 성능 향상을 구현했다.

열에너지를 전기로 바꾸는 열전 소재는 친환경적이며 진동과 소음이 거의 없고 소형화가 가능하다는 장점으로 인해 차세대 에너지 변환 기술로 각광받고 있다. 열전 에너지 변

연세대 이우영 교수

환 효율은 열전 성능지수(ZT)로 결정된다. 열전 성능지수를 구성하는 각 인자들(전기 전도도, 제백계수, 열 전도도)의 독립적 제어를 통해 에너지 변환 효율을 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 이러한 연구들은 대부분 상온에서 사용되는 열전 소재에 집중되어 있으며, 산업적 측면에서 중요한 고온용 열전 소재에 관한 연구는 재료 합성의 어려움, 나노 소재의 안정성 문제 등의 이유로 많은 연구가 이루어지지 못하고 있다.

경북대·연세대 연구팀은 대표적인 고온용 열전 소재인 망간 실리사이드에 철, 코발트 등의 금속 나노입자를 삽입해 복합구조를 형성했다. 삽입한 금속 나노입자가 망간 실리사이드 내에서 '에너지 밴드 벤딩'을 유도해 열전 소재의 성능을 결정하는 파워 팩터(power factor)를 크게 향상시키는 동시에 열 전도도를 크게 저감시켰다. 그 결과, 일반적인 망간 실리사이드 소재에 비해 열전 성능이 약 25% 향상된 것을 확인했다.

연구팀은 "이번 연구는 망간 실리사이드 소재를 기반으로 손쉬운 공정을 통해 열전 성능을 증대시킬 수 있는 메커니즘을 발견했다는 측면에서 학술적 의미가 있다. 또 산업적인 측면에서 자동차 폐열, 공장 폐열 등 버려지는 열에너지를 이용한 전력 생산 등에 활용될 수 있을 것으로 전망된다"라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 저명 국제학술지인 '나노 에너지(Nano Energy)'에 2020년 6월자에 게재됐다.

박종문기자 kpjm@yeongnam.com

?에너지 밴드 벤딩(Energy band bending)= 소재 내에 다른 물질이 삽입되어 물질의 에너지 밴드의 변형이 일어나는 물리적 현상.

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