국제학술지 어드밴스드 사이언스 표지 이미지[사진=한밭대]

국립 한밭대학교(총장 최병욱) 신소재공학과 오민욱 교수와 KAIST (총장 이광형) 신소재공학과 정연식 교수 공동 연구팀은 은으로 된 원자 한 층 두께의 얇은 바늘이 삽입된 고성능 열전소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

열전소재는 열을 흡수하여 전기로 변환할 수 있는 소재로, 기존의 화석 연료를 대체하여 탄소 저감에 기여할 수 있는 대체 에너지원으로 주목받고 있다.

하지만 열전소재는 가격 대비 에너지 변환 효율이 매우 낮아 상용화에 어려움이 있고, 특히 섭씨 400도가 넘는 고온에서 활용되는 열전소재인 텔루륨화 납(PbTe)의 경우 텔루륨이 물질 내에서 빠져나가면서 공공(Vacancy)을 형성하여 열전 성능이 낮아지는 한계가 있었다.

이러한 문제 해결을 위해 공동 연구팀은 물질 내에 텔루륨 공공 형성을 방지할 목적으로 극미량의 은(Ag)을 소재에 첨가하였고, 최첨단 주사형 투과전자현미경을 통해 첨가된 은이 원자 한 층 두께의 바늘 형태로 소재에 고르게 형성되는 것을 확인하였다.

또한, 고온에서 빠져나가던 텔루륨이 물질 내에 안정화되는 것을 실시간 고온 X선 회절법으로 확인하여 형성된 은 바늘이 텔루륨 공공 형성 저감에 효과적임을 실험적으로 입증하였다.

실제로 고온 열전 성능을 측정한 결과, 이번에 개발된 소재가 기존 소재 대비 약 31.3% 높은 무차원 열전성능지수(열전소재의 성능을 나타내는 지표)를 나타냈다.

한밭대 오민욱 교수는 “탄소중립 정책이 국제 사회의 새로운 질서가 됨에 따라 열전소재 원천기술 확보 및 성능 향상이 필수적이다”고 말하며, “은 첨가가 텔루륨화 납의 공공 형성을 억제해 높은 열전 성능을 보이는 메커니즘을 실험적으로 밝혀내어 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

KAIST 장한휘 박사과정과 한국전기연구원 박종호 연구원이 공동 제 1저자로 참여한 본 연구는 과학기술정보통신부의 미래소재 디스커버리 사업 지원을 받았으며, 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’(Advanced Science) 표지 논문으로 지난 21일자 온라인판에 게재되었다.