화석연료나 전기에너지가 소모되는 과정에서 발생하는 폐열(廢熱:쓰고 남는 열)을 전기로 바꿔주는 고효율 열전(熱電:열을 이용한 발전) 신소재가 국내에서 개발됐다.

삼성전자 종합기술원 이상목 전문은 17일 폐열을 전기 에너지로 바꿀 때 변환 효율을 기존 7%에서 12%로 향상시킨 신소재인 인듐셀레나이드(In4Se3-x)를 개발했다고 밝혔다.

삼성전자가 개발한 신소재는 열전 상용화 가능성을 앞당기고 새로운 개념의 열전소재와 열전변환 메커니즘을 제시한 것으로 평가돼 신재생 에너지 분야에서 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구 결과는 세계적인 과학잡지 네이처(Nature)지 본판(6월 18일자)과 온라인에 게재됐다.

연구에는 삼성전자 종합기술원에서 이상목 전문과 이종수, 이규형, 조은석, 김상일, 이은성 전문이 참여했고 성균관대 권영성 교수와 포항공대 심지훈 교수가 각각 결정 성장, 이론 계산 분야에 참여했다.

미국 러트거스(Rutgers)대 가브리엘 코틀리어 교수는 이론해석에 참여했다.

◇ 미·일 기술 앞서는 고효율 신소재 = 열전소재는 자동차 보조전력, 내연기관 및 산업용 폐열 발전 등에 응용되는 데 기존 고효율 열소재는 대부분 박막 또는 나노와이어로 돼 있어 열전을 위한 온도 차 유지가 어려웠다.

인듐셀레나이드는 열을 전기로 변화시키는 능력인 열기전력이 크고 열전도도는 낮아 발열부와 냉각부의 온도 차를 크게 할 수 있어 열전 성능이 우수한 것으로 보고됐다.

연구팀은 금속전자의 움직임을 제한하면 금속이 반도체로 변하면서 금속 격자가 뒤틀리고, 이로 인해 열전도도가 낮아져 열전 성능이 높아지는 원리를 바탕으로 신소재를 개발했다.

이상목 전문은 이 소재가 두 가지 원소로 구성된 금속 화합물이어서 제조가 쉽고 기존 소재와 비교해 열전성능이 180% 확장됐다고 설명했다.

열전소재의 효율은 열과 전기의 변환 효율을 의미하는 ZT(열전성능)로 나타내는 데 현재 상온에서 냉각하는 재료는 ZT가 1.0이고 중온에서 발전하는 재료는 0.8이지만 인듐셀레나이드는 1.48로 월등히 높다.

현재 미국·일본에서는 발전효율이 10% 이상이면 경제성을 확보할 수 있는 열전소재로 평가하고 있다.

◇ 다양한 분야 응용 가능 = 현재 폐열을 활용한 발전이 주목받는 분야는 자동차 산업이다. 자동차는 60% 이상의 에너지가 열로 방출되는 데 이는 고스란히 공기중으로 사라진다.

GM과 BMW 등 세계적인 자동차 제조업체들은 머플러에 열전재료를 입혀 폐열을 전기로 바꿔 다시 엔진의 보조 전력으로 사용하거나 차량 시트 냉난방 등에 활용하는 기술을 개발하고 있다.

미국은 폐열 발전 기술이 향상되면 2014년께 차량의 연료 경제성이 10%가량 높아질 것으로 보고 있다.

일본에서는 온천에서 나오는 온천 열로 전기를 만들고 있다.

전자제품 작동시 발생하는 열을 모아두었다가 전기로 바꿔 전원을 끈 뒤 전자제품의 열을 식히는 데 사용하거나 대기전력으로 사용하는 것도 상용화 단계다.

이 밖에도 기술의 발전에 따라 소각로ㆍ전기로 발전, 항공우주용 핵발전, 체내 의료용 전원, 군사용 독립 전원기기 등 열이 발생하는 모든 분야에서 활용될 수 있는 게 열전이다.

소재의 내구성도 10~15년 정도여서 경제성을 갖췄다.

이상목 전문은 "일반적인 경향을 보면 자동차 영역에서는 2014년께 열전이 가시화할 것으로 보고 있다"며 "이번에 규명한 원리를 기반으로 지속적인 신물질 개발에 나서겠다"고 말했다.

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