중고온 열전소자의 우주탐사선 적용 예상 개념도. 사진제공=한국에너지기술연구원한국에너지기술연구원은 에너지네트워크연구실 박상현 박사 연구진이 기존의 일반적인 중고온 열전소자에서 사용했던 고융점 금속기반의 금속화 기술이 가지는 성능적 한계를 개선·극복할 수 있는 세계 최초 산화물 금속화층을 기반으로 한 ‘초고신뢰성 중고온 열전소자‘ 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.
열전소자는 열에너지를 전기로 변환하는 에너지 소자로, 열을 가하면 전기를 생성하고 전기를 가하면 흡열 반응을 하는 특성을 갖고 있어 온도계나 냉각 장치 등에 사용되고 있다. 이 중 동작온도가 300~700도인 중고온 열전소자는 1950년대부터 미국 NASA에서 우주개발 적용을 목적으로 방사성 동위원소 열전발전기(RTG·Radioisotope Thermoelectric Generator)시스템을 개발하면서 연구가 최초로 시작됐다.
기존 중고온 열전소자 기술은 티타늄(Ti)과 같은 고융점의 금속소재를 이용해 금속화층을 형성했고 작동온도가 300~700도로 높기 때문에 장기간 안정적으로 동작하기에는 기술적인 난제들이 많았다.
특히 열전소재와 전극을 연결해주는 계면인 금속화층은 고온에서 열팽창과 수축을 반복하며 균열이 발생해 소자가 파손되기 쉽고 파손되지 않더라도 고온에서 장기간 동작 시 금속화층을 통한 확산이 일어나 열전소재의 열화 및 열전소자의 성능저하로 이어지기 쉽다.
연구진이 세계 최초로 개발한 산화물 금속화층 기술은 고온에서 금속보다 상대적으로 안정한 전도성 인듐주석 산화물을 열전소재 표면에 적용해 금속화층을 형성하는 기술이다. 이 기술은 기존의 확산 열화문제를 최소화하면서 낮은 접촉저항의 우수한 특성도 동시에 달성했다.
특히 소자의 장기 신뢰성을 테스트한 결과 500도까지의 열반복 실험 시 기존 기술인 Ti 기반 열전소자가 출력이 감소하는 반면 본 연구의 산화물 금속화층 기반 열전소자는 출력저하가 거의 없는 우수한 성능을 보였다. 또한 개발된 산화물 금속화층 소자는 기존의 Ti 금속 기반 열전소자 대비 80% 정도 확산 열화를 억제시키는 탁월한 안정성을 확인할 수 있었다.
연구책임자인 박상현 책임연구원은 “이번 개발된 산화물기반 중고온 열전소자 기술은 우주산업에서 요구하는 40~50년 동안 지속 동작이라는 초고신뢰성의 에너지 발전 시스템을 충족시켜줄 수 있는 핵심 요소기술이며 특히 열전소자를 차별화된 국내기술로 개발했다”며 “연구 성과를 기반으로 한국형 우주산업용 열전소자를 목표로 하는 후속 집중 연구를 수행한다면 중국 우주산업을 따라잡고 더 나아가 기술을 선도할 수 있는 기회가 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구 성과는 에너지 분야 유력저널인 어플라이드 에너지 머티리얼즈(ACS Applied Energy Materials)에 2020년 2월 게재돼 학술적 가치를 인정받았다.
/대전=박희윤기자 hypark@sedaily.com
