울산대 조성래 교수팀 “폐열을 전기로 변환하는 열전 신물질 개발”

2016-12-26 00:04

'네이처 커뮤니케이션즈'에 논문 게재

에너지 고갈·환경오염 문제 활용 영역 확대 전망

폐열을 전기 에너지로 바꾸는 열전발전 효과를 극대화한 열전 반도체 신물질을 개발한 울산대 조성래 교수(앞줄 가운데) 연구팀. [사진제공=울산대]

아주경제 정하균 기자 = 폐열을 전기 에너지로 바꾸는 열전발전의 효과를 극대화하는 열전 반도체 신물질이 국내 연구팀에 의해 개발돼 세계 그린에너지 생산에 획기적인 성과가 기대되고 있다.

울산대 물리학과 조성래(51) 교수 연구팀은 지난 23일 주석-셀레나이드(SnSe) 결정에서 일부 주석을 비스무스(Bi) 원소로 치환한 n-형 SnSe 단(單)결정에서 열전성능지수(ZT) 2.2를 달성했다고 26일 밝혔다.

열전 물질의 성능은 제벡계수(S), 전기전도도(σ), 열전도도(κ)의 세 가지 수송 특성에 의해 결정되는데, 온도 T를 곱해 열전성능지수(ZT=S2σT/κ)를 정의한다. ZT값은 발전효율을 말한다.

현재 상용화된 비스무스 텔루라이드(Bi-Te)계 물질은 ZT값이 1 정도이고 발전효율이 5% 수준이다.

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울산대 연구팀의 연구 성과는 ZT값 2.2로 발전효율이 10% 이상의 세계 최고 신물질이어서 활용도가 크게 높을 것으로 기대된다.

이 연구 논문은 우수성을 인정 받아 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 12일자로 게재됐다.

이번에 개발된 신물질은 전자 결핍 p-형과 전자 과잉 n-형 반도체로 접점을 만들고, 두 접점 사이에 온도차를 주면 전기가 발생하는 열전발전에 활용된다. <아래 그림 참조>

이 기술은 구조가 간단하고 돌아가는 터빈 등의 구동 부분이 없어 고장률도 낮기 때문에 태양계 행성 탐사선, 해저 등대, 인공위성 등에 활용돼 왔다. 앞으로도 에너지 고갈과 환경오염 문제로 활용 영역이 더욱 확대될 전망이다.

조 교수는 박사과정에서부터 지금까지 21년 간 효율 높은 열전 물질 개발 연구에 매진해왔다.

미국 노스웨스턴대학 화학과 카나치디스(Mercouri Kanatzidis) 교수는 지난 8월 중국 우한에서 열린 국제열전학회에서 "울산대 연구팀의 결과물은 n-형 열전 물질 분야에서 세계 최고 기술"이라며 "노스웨스턴대학이 가지고 있는 p-형 열전 물질 분야 기술(p-형 SnSe, ZT=2.6)과 함께 열전 반도체 분야의 세계 최고 기록으로 열전발전 모듈로의 활용이 기대된다"고 평했다.

이번 연구의 분석엔 한국표준과학연구원과 한국전기연구원, 부산대 연구팀이 참여했다.

조 교수 연구팀은 n-형 SnSe와 p-형 SnSe를 이용한 열전발전 모듈을 제작해 특성을 분석하면서 폐열을 활용한 전기에너지를 생산할 수 있는 실제 장치를 만들고 있다.

한편 이번 연구에 제1저자로 참여한 울산대 둥 안 뚜안 씨(36)는 울산대 물리학과에서 박사학위를 받고 베트남 최고 명문인 하노이사범대 교수로 임용돼 내년 새 학기부터 강의를 시작한다.