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연세대 김우철 교수팀, 열전성능지수가 향상된 산화아연 코팅결정립 열전소재 개발
연세대 김우철 교수팀, 열전성능지수가 향상된 산화아연 코팅결정립 열전소재 개발
  • 이승주
  • 승인 2021.08.24 14:12
  • 댓글 0
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- 도핑과 코팅결정립으로 전기적 물성 및 포논 산란 향상해 열전성능지수 증진
- 권위 있는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 게재

 연세대학교 기계공학과 김우철 교수팀(제1저자: Somnath Acharya 박사후 연구원)은 산화물 열전소재를 코팅해 열전변환효율을 향상하는 연구를 학계에 보고했다. 본 연구는 재료 분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=18.808)’에 8월 5일 온라인 출간됐다.

 열전소자는 열과 전기를 직접 변환할 수 있는 소자로 버려지는 폐열을 전기로 회수할 수 있는 소자이다. 기계적으로 움직이는 요소가 없어서 안정성이 높고 소음 등의 발생이 없는 장점이 있다. 열전소자는 산업에서 발생하는 폐열을 전기로 전환하는 데 사용할 수 있어 에너지 생산 및 관리, 탄소중립에 있어 큰 주목을 받고 있다.

 열전소재가 열을 전기로 바꾸는 정량적인 능력 지표를 ‘열전성능지수(zT)’라고 하는데, 열전소재가 낮은 전기적 저항을 갖고 단위온도당 높은 전압이 발생하며 낮은 열전도도를 가질 때 열전성능지수가 향상된다. 하지만 소재의 열 물성과 전기적 물성은 하나를 향상하면 다른 하나는 약화되는 기술적 모순을 갖고 있어 열전성능지수를 향상하는 데는 기술적 어려움이 따른다.

산화아연 열전재료의 열전성능지수 향상 전략 모식도
산화아연 열전재료의 열전성능지수 향상 전략 모식도

 이번 연구에서 김우철 교수팀은 산화아연 계열의 산화물 열전소재를 개선해 열-전기 변환 효율을 향상한 열전소재를 이용했다. 산화물 열전소재는 일반적인 희토류 기반의 열전소재와 달리 재료가 풍부하고 인체에 무해하며 높은 온도에서도 화학적으로 안정적인 특징이 있다. 다만 산화물 재료는 일반적으로 낮은 전기전도도와 비교적 높은 열전도도를 보여 열전성능지수가 좋지 못했다.

 이에 김우철 교수팀은 불순물 도핑이 이뤄진 산화아연에 황화아연을 코팅층으로 한 코팅결정립을 통해 열전성능지수를 향상했다. 도핑을 통한 전기적 성능 향상과 미약한 열전도도의 감소는 널리 알려진 열전성능지수 향상 기법이지만, 주목할 점은 본 연구에서는 코팅에 의해 추가적인 전기적 성능 향상과 훌륭한 열전도도 저감이 관찰됐다는 점이다. 결과적으로 순수 산화아연에 대비해 800℃에서 전기적 성능은 161% 향상했고, 열전도도 역시 62% 감소시켜 열전성능지수를 272% 향상했다.

 김우철 교수팀은 이번 연구를 통해 재료에 얇은 코팅층을 씌움으로써 간섭성 포논 산란(Coherent phonon scattering)을 향상해 열전도도를 감소시킴과 동시에 전기적 성능의 약화를 막을 수 있는 방법을 선보였다. 또한 희토류 기반의 열전소재를 이용한 연구에서 벗어나, 재료가 풍부하고 인체에 무해한 산화물 계열의 열전소재 역시 성능을 향상할 수 있음을 시사했다는 점에서 의의가 있다.
 


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