[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = KAIST는 신소재공학과 최벽파 교수 연구팀이 경북대 이승훈 교수(신소재공학과) 연구팀과 '준 안정상'을 활용해 하프호이즐러 열전재료의 나노구조를 제어하는 새로운 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

열전 소자는 열에너지를 전기로 직접적으로 변환시키는 에너지 소자다. 소자의 양단에 온도 차가 존재할 때 내부의 전하가 이동함으로써 전기를 발생시킨다.

다양한 열전재료 중 하나인 하프호이즐러 물질은 폐열(에너지의 생산, 소비 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 열)이 풍부하고 중온 영역(300~800도)에서 높은 효율의 열전발전이 가능하다.

하프호이즐러 열전재료의 제조과정을 나타내는 모식도[사진=카이스트] 2020.11.10 memory4444444@newspim.com

열 안정성과 기계적 특성(강도)이 우수하고 높은 제벡 계수(온도 차이를 전력으로 변환하는 정도)와 출력 계수를 지니고 있는데 독성이 없고 지구에 풍부하게 매장된 원소로 이뤄져 있다.

하지만 상대적으로 높은 열 전도도로 낮은 열전성능을 갖는다는 점이 약점이다.

열 전도도를 낮추기 위해서는 포논(입자)의 산란을 극대화해야 하는데 이를 위해서는 서로 다른 상의 경계를 만든 후 나노 결정화를 통해 달성할 수 있다.

때문에 기존에는 하프호이즐러 합금을 제조한 뒤 물리적으로 파쇄해 나노분말을 제조하고 이를 가열해 굳히는 방법을 사용해왔다. 하지만 이 방법은 나노결정의 크기 제어는 물론 복잡한 미세구조 형성이 어렵기 때문에 열 전도도를 획기적으로 감소시키기는 매우 어렵다.

3차원 원자탐침현미경과 투과전자현미경을 활용한 풀 호이즐러 석출물의 분석[사진=카이스트] 2020.11.10 memory4444444@newspim.com

최 교수 연구팀은 이 같은 문제해결을 위해 준 안정상(비정질)의 결정화 방법을 활용했다. 준 안정상은 안정상에 비해 상대적으로 덜 안정한 상을 의미하는데 열처리를 통해 안정상(고체, 액체, 기체 등)으로 쉽게 상변화를 일으킬 수 있다.

이때 열처리 온도에 따라 준 안정상(비정질)의 결정화 거동은 다양하게 변화하고 이를 이용해 나노결정의 크기와 상을 제어할 수 있다.

연구팀은 급속냉각공정을 이용해 하프호이즐러(NbCo1.1Sn) 조성을 가진 비정질(준 안정상)을 제조한 뒤 비교적 저온에서 짧은 열처리를 통해 하프호이즐러 물질 내부에 풀호이즐러(NbCo2Sn) 나노 석출물이 존재하는 복잡한 나노구조를 만들었다.

기존의 방법과는 달리 고온에서의 장시간의 열처리가 필요 없으므로 쉽고 경제적이면서도 더욱 복잡하고 세밀한 나노구조의 형성이 가능하다.

특히 3차원 원자 탐침 현미경(Atom probe tomography)과 투과 전자 현미경(Transmission electron microscope)을 활용해 하프호이즐러 물질 내부에 존재하는 수 나노미터의 풀호이즐러 석출물의 존재를 규명하는 데도 성공했다.

KAIST 신소재공학과 최벽파 교수[사진=카이스트] 2020.11.10 memory4444444@newspim.com

최벽파 교수는 "이번 연구에서 새롭게 제안된 방법을 활용해 만든 열전재료는 기존 대비 복잡한 나노구조를 갖고 있어 3배 이상의 열전도도 감소 와 함께 열전발전 성능도 획기적으로 증가하는 효과가 있을 것으로 기대된다ˮ고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 과학기술 분야 기초연구사업인 기초연구실지원사업 (중온 300-800 ℃ 작동형 합금 기반 half-Heusler계 고성능/고강도 열전소재 개발)의 지원을 통해 수행됐다.

KAIST 신소재공학과 정찬원 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구의 성과는 국제학술지인 '나노 에너지(Nano Energy)' 온라인 판에 지난 10월 20일 실렸다.

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