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“열전 변환 재료(In4Se3) 단결정 성장” 세계 첫 연구

성대 권용성교수·삼성전자 종기원 이상목박사팀 논문 네이처지 게재

  여러 산업분야에서 발생하는 열에너지의 대부분은 현재 이용되지 않거나 그대로 폐열로 배출되고 있는 실정이다. 최근 에너지 및 지구환경문제에 대한 관심이 높아짐에 따라 산업분야에서 발생되는 폐열과 자동차의 배기가스의 열에 대한 열전 변환재료분야 연구가 세계적으로 주목받고 있다. 또한 열전 변환 재료분야 연구는 그린에너지 기술로 기대가 되고 있다.

  열전 변환재료는 제벡효과(Seebeck effect)와 펠티어효과(Peltier effect)를 이용하여 열에너지와 전기에너지로 상호 변환하는 것이 가능하다. 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 것을 발전재료라고 하고, 반대로 전기에너지를 이용하여 냉각시키는 것을 냉각재료라고 한다. 발전재료의 경우 전기를 발생시키는 발전기로 사용이 가능하고, 냉각재료의 경우는 냉매를 사용하지 않는 휴대용 냉장고, 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU)의 냉각 등에 사용이 가능하다.

  그러나 현재 이용 가능한 열전 변환재료는 비스머스(Bi), 안티몬(Sb), 납(Pb), 테르늄(Te) 등의 중금속이 사용되고 있는데, 지구상에 매장량이 적을 뿐 아니라 독성이 아주 강하고 고온에서 재료의 안정성이 떨어져 팔시계의 발전소자, 휴대용 냉장고 등의 냉각소자에 사용되고 있으며 활용범위가 국한되어 있다. 이런 관점에서 최근에는 매장량이 많으면서도 독성이 없는 열전 변환물질에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

  열전 변환재료로 사용하기 위해서는 열전 변환시 효율성을 나타내는 성능계수 ZT가 커야 한다. 현재는 열전 성능계수가 1 정도에 불과, 석유나 원자력에너지에 비해 효율성이 떨어져 실용화에 문제가 되고 있다. 최근 나노기술 등을 접합해 성능계수를 2정도까지 끌어올리고 있지만 실용화에 적절한 소자로 제작하는 것은 거의 불가능해 실제로 효율성이 뛰어난 열전 변환소자로 사용하기는 아직은 먼 이야기 다.

  성균관대 권용성교수팀과 삼성전자 종합기술원 이상목박사팀 그리고 포항공대와 미국 러트거스대학 연구팀은 실용화가 가능한 덩어리상태에서 열전 성능계수를 연구하기 위해 두 개의 원소로 구성된 인듐셀레나이드(In4Se3)에 Se의 결함을 인공적으로 만들어준 n형 In4Se3-δ의 단결정을 세계 최초로 성장시켜 열전변환재료 연구를 수행해왔다.

  이 열전변환재료의 성능계수 ZT값이 432도에서 1.48로, 지금까지 발견된 덩어리 열전변환재료 중 가장 큰 값을 갖는다는 것을 발견하였다. 이 큰 값이 보이는 원인을 찾기 위해 고분해능 투과전자현미경을 통한 전자회절실험과 이론적인 접근을 위해 제일원리계산을 수행하여 In4Se3-δ의 물질이 전자와 포논(격자진동)과의 강한 상호작용에 의한 전하밀도파 불안정성이 보인다는 것을 발견하였다. 이 전하밀도파 불안정성은 전기적 및 열적 전송에서 큰 이방성을 일으키고 있다. 이 결과로부터 In4Se3-δ의 열전변환 재료가 매우 큰 성능계수 ZT값은 전하밀도파를 보이는 면내에서 높은 Seebeck 계수와 낮은 열전도도의 결과에 의한 것임을 세계 최초로 밝혀냈다. 이 결과는 전하밀도파에 의해 특유의 나노결정화가 유기되는 덩어리 재료에서 높은 효율을 갖는 열전변환재료를 찾는데 새로운 방향을 제시하였다.

  이 연구에서 발견된 열전변환 재료 In4Se3-δ는 독성이 없고 고온에서도 비교적 안정적이어서 실용화 가능성이 크다. 또한 In4Se3-δ재료에 대한 성능계수의 최적화 연구는 전자의 도핑법 등으로 현재 진행중에 있어 보다 큰 성능계수를 갖는 물질이 개발될 것으로 기대된다.