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생활 속 열 전기로···손쉬운 '열전소재' 공정 개발

손재성 UNIST 교수팀, 초박막형 고효율 열전소재 공정 개발
2단계 공정방식, 주석-셀레나이드 결정 방향까지 제어
유리 기판 위에 얇게 올려진 주석-셀레나이드.육안으로 봐도 결함 없이 매끈한 것을 확인할 수 있다.<사진=UNIST 제공>유리 기판 위에 얇게 올려진 주석-셀레나이드.육안으로 봐도 결함 없이 매끈한 것을 확인할 수 있다.<사진=UNIST 제공>

국내 연구진이 열전소재를 쉽고 저렴하게 제작하는 공정을 개발했다. 향후 생활 속의 열을 전기로 바꿀 '열전기술'에 기여할 것으로 보인다.

UNIST(총장 정무영)는 손재성 신소재공학부 연구팀과 한국표준과학연구원(원장 박상열)이 공동으로 '주석-셀레나이드(SnSe)'의 결정구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만드는데 성공했다고 20일 밝혔다.

열전소재는 소재 양쪽에 나타나는 온도차를 이용해 전기를 발생시키는 물질이다. 이 소재로 열전발전기를 제작해 자동차, 선박 등의 엔진에 부착하면 전기 생산이 가능하다. 열전발전기의 구조·원리는 단순해 성능을 높이려면 더 좋은 열전소재를 개발해야 한다.

2014년 처음 보고된 주석-셀레나이드는 성능이 뛰어나 촉망받는 열전소재였다. 하지만 결정구조 제어가 어려워, 기대만큼 우수한 열전효율을 보이지 못했다.

공동 1저자 허승회 UNIST 석박과정 연구원은 "주석-셀레나이드는 종이가 층층이 쌓인 책처럼 독특한 층상형 결정구조를 가지며, 나란한 단결정에서 열전효과가 나타난다"며 "종이가 구겨지면 책을 깨끗하게 인쇄할 수 없는 것처럼 다결정 구조에선 높은 열전효율을 얻기 어렵다"고 설명했다.

연구팀은 주석-다이셀레나이드가 특정 방향으로 성장하는 원소의 일종이라는 점에 주목해 새로운 방법을 시도했다. 주석-셀레나이드를 특정 방향으로 성장시킬 2단계 공정을 고안한 것. 이는 1단계 공정에서 '주석-다이셀레나이드(SnSe₂)' 박막을 만들고, 2단계 공정에서 열처리를 통해 '주석-셀레나이드(SnSe)' 박막을 만드는 방식이다.

공동 1저자 조승기 UNIST 석박과정 연구원은 "주석-다이셀레나이드를 가열하면 셀레늄(Se) 원자가 증발해 주석-셀레나이드가 된다"며 "앞서 형성된 주석-다이셀레나이드 결정이 이정표가 되기 때문에 주석-셀레나이드 결정구조도 가지런히 정렬된다"고 설명했다. 

2단계 공정을 거친 주석-셀레나이드 박막은 기존 연구와 비교해 전기적 특성이 10배 이상 우수했다. 또 단결정으로 성장시킨 덩어리 형태의 주석-셀레나이드 소재와 비슷한 수준의 성능을 보였다.

손재성 교수는 "원재료에 상당한 고온·고압을 가하는 기존 방법은 생산비가 비싸고 원하는 방향으로 결정을 성장시키기 어려워 성능 확보가 힘들었다"며 "이 기술은 간편하고 효율적이며 주석-셀레나이드의 결정 방향까지 제어가 가능해 향후 폭넓게 응용될 것"이라고 전망했다.

연구 결과는 네이처(Nature)의 자매지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 20일 온라인판에 게재됐다.

용액공정으로 고성능 열전소재를 제작하는 공정과 제작된 소재의 모습.<사진=UNIST 제공>용액공정으로 고성능 열전소재를 제작하는 공정과 제작된 소재의 모습.<사진=UNIST 제공>
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