온도 차이로 발전 `열전소재`, 값싸고 독성 없이 대량 생산

화학연, 구리 황화물 나노구조 박막 제조기술 개발
경제적 친환경 대량생산 가능..웨어러블 기기 등 적용
물체 간 온도 차이로 발전이 가능한 열전 소재를 저렴하고 친환경적으로 대량 생산할 수 있는 새로운 기술이 나왔다. 기존 화학적 합성법보다 쉽게 제조하고, 높은 열전 성능을 보여 웨어러블기기나 산업 기계의 폐열 회수 등에 활용될 전망이다.

한국화학연구원은 조동휘·이정오·이예리 박사 연구팀이 전석우 고려대 교수 연구팀과 공동으로 비싸고 독성이 있는 기존 상용 열전 소재 재료 대신 구리 기판에 매우 저렴한 황을 용액 형태로 처리해 '구리황화물 나노구조 박막'을 제조하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.

발전소와 선박, 차량 등 산업 기계에서 발생하는 에너지의 65% 이상은 열로 손실돼 이를 전기로 바꾸는 열전소재 연구가 활발하다.

현재 상용 열전소재인 비스무스 텔루라이드, 리드 텔루라이드 등의 합금 소재는 열-전기 변환 효율이 높지만, 비싸고 독성이 있어 대량 생산과 친환경 에너지 발전에 한계가 있다.

연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 구리 황화물에 주목했다. 미세한 두께의 결정성 구리 호일을 황 용액에 담근 뒤, 구리 황화물이 결정화될 때까지 온도, 시간, 반응 농도를 정밀 제어해 나노구조의 박막을 만들었다. 기존 구리 황화물 나노입자를 만드는 방법보다 더 간단하고, 대면적 생산이 가능하다.

특히 구리 황화물 표면은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥들이 자라난 상태여서 열 이동을 잘 막아준다. 열이 일부 구역에만 맴돌며 찬 구역과 온도 차이가 오래 유지될수록 열-전기 변환 효율은 높아진다.

개발된 구리 황화물 나노 구조 박막은 기판에 옮겨 심듯이 유연기판 등 다양한 기판에 전사가 가능하고, 367도에서 열전 성능지수가 0.91를 기록해 기존 상용 열전소재에 비해 높은 열전 성능을 가진다고 연구팀은 설명했다. 아울러 40도의 온도차가 발생할 경우 구리 황화물 기반 열전 발전기를 저전력 센서에 활용하면 밀리와트 수준의 전력을 생산할 수 있다. 연구팀은 구리 황화물 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 하베스팅 기술에 적용해 상용화할 계획이다.

화학연 연구팀은 "기존 상용 열전소재보다 저렴한 재료로 원하는 구조를 정밀하게 만들었고, 대량 생산이 가능하다는 게 이번 기술의 차별성"이라며 "고온 기계의 폐열 회수, 웨어러블 기기 등 다양한 분야에 적용해 미래 에너지 문제 해결에 기여하도록 노력하겠다"고 말했다.

이 연구결과는 재료·화학 분야 국제 학술지 '재료 정보(지난달)' 표지논문으로 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr