열에너지는 어디에나 존재합니다. 우리 몸에서 나오기도 하고 공장에서 전류를 흘리면 폐열로 방출되기도 하죠. 하지만 이런 열에너지는 사용하기 어려워서 내버려두면 그저 쓸모없는 에너지로 남아 사라질 뿐이었습니다.
기초과학연구원의 나노입자연구단 정인 연구위원의 논문에 따르면 정 연구위원의 연구진이 친환경, 고성능 열전소재를 저렴하게 고성능으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 합니다. 열전소재는 전기에너지를 열에너지로, 또는 열에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치인데요. 열전소재는 가격이 비싸 상용화가 어렵다는 단점이 있습니다.
열전소재의 효율은 열전도도와 전기전도도에 따라 결정됩니다. 열전도도가 낮을수록, 전기전도도가 높을수록 열전소재의 효율이 높죠. 셀레늄화주석이 이런 조건에 가장 적합하다고 합니다. 셀레늄화주석은 친환경적이라는 장점도 있죠.
하지만 셀레늄화주석은 제조가 까다롭고 오래 걸린다는 게 단점입니다. 게다가 단결정 셀레늄화주석은 쉽게 부러지는 특징 때문에 상용화가 거의 불가능하다고 합니다. 이 때문에 과학자들은 내부 원자들이 규칙적으로 배열된 단결정 시료에 견줄 만한 다결정 셀레늄화주석을 만들려고 노력했죠. 하지만 이 마저도 단결정 대비 30% 이하의 열전성능지수를 나타내기 때문에 성능이 현저히 떨어진다는 단점이 있었다고 합니다.
정인 연구위원 연구진은 이러한 단점을 개선할 수 있는 연구를 진행해 친환경적이고 고성능을 가진 열전소재를 개발했다고 합니다.
어떻게 연구했을까?
정인 연구위원의 연구진은 나노미터(nm) 수준에서 시료를 관찰할 수 있는 구면수차 보정 주사 투과전자현미경을 이용해 성능 저하의 원인을 찾았습니다. 그 결과, 산소 노출을 현저히 제한한 환경에서 합성한 다결정 셀레늄화주석 조차 시료 안에 극소량의 산화주석(SnO, SnO2) 나노 입자가 존재함을 관찰했습니다. 산화주석은 셀레늄화주석보다 열전도도가 140배가량 높은 물질인데요. 이 특성이 소재 전체의 열전도도를 향상시켜 열전 성능을 크게 저해한 것입니다.
이를 본 연구진은 산화주석을 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 개발했습니다. 연구진이 셀레늄화주석 분말을 나노크기로 분쇄한 후, 저농도 수소 가스를 높은 온도에서 흘려 산화주석을 제거했습니다. 그 결과 연구진은 다결정 셀레늄화주석의 열전도도를 45%가량 낮춰 단결정 수준으로 만들 수 있었다고 합니다.
불순물로 작용하던 산화주석 나노입자가 사라져 전기전도도 역시 향상됐습니다. 최종적으로 개발된 다결정 열전소재의 열전성능지수는 2.5 이상을 기록했으며, 이는 보고된 다결정 소재 중 가장 우수한 수치를 기록한 것이라고 합니다.
앞으로의 전망은?
이번 연구는 그간 밝혀지지 않았던 다결정 셀레늄화주석이 높은 열전도도를 보이는 원인을 규명함과 동시에 간단한 화학반응을 통해 이 문제를 해결할 수 있는 전략을 제시했다는 의미가 있습니다. 공장, 자동차 엔진, 컴퓨터프로세싱유닛(CPU) 등 전자소자의 폐열을 이용해 전기를 생산할 수 있어 친환경성과 경제성의 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 셈이죠.
정 연구위원은 "친환경․고성능 열전소재인 셀레늄화주석을 단결정 분말로 저렴하게 만들어 활용할 수 있는 길을 연 것"이라며 "가격과 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전발전기술이 이번 연구를 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다"고 말했습니다.
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