국내 연구팀이 물체와 물체 사이의 온도 차이로 전기를 생산하는 친환경 열전 소재 기술을 개발했다. 기존 열전 소재보다 저렴하고 대량 생산까지 가능해 상용화에 성공하면 웨어러블 기기와 산업 폐열 회수에 크게 기여할 것으로 보인다.

한국화학연구원은 조동휘 화학소재연구본부 선임연구원, 이정오 책임연구원, 이예리 화학데이터기반연구센터 선임연구원 연구팀이 전석우 고려대 신소재공학부 교수팀과 함께 구리황화물(CuS) 기반의 열전소재 박막 제조 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘인포멧(InfoMat)’ 11월 표지논문으로 공개됐다.

이번 개발은 발전소·선박·차량 등 산업 기계에서 발생하는 에너지의 65% 이상이 열로 손실되는 상황에서, 물체의 온도 차이로 전기를 생산한다는 점에서 에너지 효율을 높이고 탄소 배출을 줄일 수 있는 기술로 주목받고 있다. 그동안 열전 소재는 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃), 리드 텔루라이드(PbTe) 등의 합금 소재가 많이 쓰였다. 열전 성능 지수(ZT) 값이 1 이상으로 높은 열-전기 변환 효율을 기록해서였다. 하지만 비싸고 독성이 있어 대량 생산, 친환경 에너지 발전에는 제약이 컸다.

이 같은 제약에 연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 구리 황화물(CuS)에 주목했다. 먼저 미세한 두께의 결정성 구리 호일을 황 용액에 담근 뒤 CuS가 결정화될 때까지 온도, 시간, 반응 농도를 정밀하게 제어했다. CuS의 성장 형태를 세밀하게 조절해 결정화 과정을 최초로 규명했다.

해당 제조 방식은 기존의 화학적 합성법으로 CuS 나노입자를 만드는 방법보다 더 간단하고, 대면적 생산도 빠르게 할 수 있다. 연구팀이 제작한 CuS 박막은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥 모양으로 열 이동을 막아 열이 일부 구역에만 맴돌도록 했다. 차가운 부분과 온도 차이가 오래 유지될수록 열전 소재의 열-전기 변환 효율도 높아졌다. CuS 박막은 367.85℃에서 열전 성능지수인 ZT 값 0.91을 기록했다. 기존 열전 성능지수 1에 가까워 해당 온도 범위의 산업 기계에 적합할 것으로 예상된다. 40K(40℃)의 온도 차가 발생하면 CuS 기반 열전 발전기를 사용해 저전력 센서에 활용할 수 있는 밀리와트 수준의 전력을 생산할 수 있다.

연구팀은 앞으로 CuS 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 하베스팅 기술에 적용해 상용화할 계획이다. 이를 통해 전 세계적으로 에너지 효율성을 높이고 온실가스 배출을 줄이는 데 크게 기여할 것으로 보인다. 연구팀은 "기존 상용 소재보다 저렴한 재료로 원하는 구조를 정밀하게 만들 수 있고 대량 생산이 가능하다는 점이 차별점"이라고 말했다. 이영국 화학연 원장은 “친환경 열전 박막 소재가 폐열 회수 시장 개척과 웨어러블 기기 제품 혁신으로 이어져 미래의 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”고 강조했다.