국내 연구진이 탄소나노튜브를 활용해 기존 열전 소재 보다 열전 변환 성능이 뛰어난 고효율 열전 분말을 제조할 수 있는 합성 공정을 최초로 개발했다.

재료연구소(소장 강석봉) 분말/세라믹연구본부 김경태 박사팀은 현재 열전 소재 중 가장 활용도가 높은 비스무스 텔루라이드계(Bi2Te3)를 탄소나노튜브와 결합시켜 에너지 변환 성능 지수를 최대 2배 이상 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 탄소나노소재분야의 저명 학술지인 카본(Carbon)지 온라인판에 소개됐다.

이번 기술의 핵심은 한계에 이른 기존 소재에 투입되어 물성을 획기적으로 개선할 수 있는 나노소재로 널리 알려져 있는 탄소나노튜브를 이용한 것이다.

지금까지 시도된 방법은 탄소나노튜브와 비스무스 텔루라이드계 열전 소재를 물리적인 방법으로 혼합하는 것이었으나 이는 탄소나노튜브의 강한 응집성 때문에 큰 효과를 보지 못했다.

이에 김 박사팀은 탄소나노튜브를 먼저 산소와 결합시킨 뒤 이를 중심으로 비스무스 텔루라이드계 열전 소재 결정이 탄소나노튜브를 둘러싸면서 결합하도록 해 열전 분말을 제조했다. 이는 벌크나 박막 등 다양한 형태로 제조 가능하다.

김 박사팀은 비스무스(Bi)와 텔루륨(Te)이 각각 금속계 원소인 만큼 산화가 잘되는 금속의 성질을 역이용해 일부 계면에서만 산화되게 함으로써 기존 소재가 가지고 있는 특성은 유지하면서도 결합이 용이한 상태로 변환시켜 탄소나노튜브의 균질한 분산 및 혼합이 가능하도록 했다.

열전소재의 에너지 변환 성능 지수를 높이기 위해서는 열전도도를 낮추고 전기전도도는 높여야 한다. 이번에 개발한 기술을 적용하면 열전도도 40% 감소, 전기적 특성은 10% 증가되어 전체 에너지 변환 성능 지수는 최대 2배 향상됐다.

현재 세계 열전시장은 약 1조원으로 추산되고 있는 가운데 에너지 변환 성능 지수가 2배 높아지면 시장은 3배 이상 확대될 것으로 예상되고 있다.

이번 기술은 우주, 군사용, 수송기기용 열전발전 및 가정용 냉장고나 자동차, 모바일 기기 등 다양한 열전냉각 소자의 성능을 향상시키는 핵심 기술로 활용될 수 있다.

김 박사팀은 개발된 원천기술 관련 특허권을 확보했으며 미국, 일본 등 국외특허를 출원 중이다. 또한 상용화를 위한 기술을 개발하고 있다.

연구책임자인 김경태 박사는 “열전발전은 소재가 성능을 크게 좌우하기 때문에 선진국을 중심으로 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 새로운 열전 소재 및 공정을 개발하기 위해 노력하고 있다”며 “이번에 개발된 기술은 탄소나노튜브와 열전 소재의 계면결합을 이용한 것으로 기존 열전소재의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 탄소나노튜브의 응용 영역도 더욱 확대시킬 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.