열을 전기로 바꾸는 '열전물질' 제어법 개발

더욱 복잡하고 세밀한 나노구조 형성법
열전도도 극소화, 열전성능 증대

3차원 원자탐침현미경과 투과전자현미경을 활용한 풀 호이즐러 석출물의 분석

[아시아경제 황준호 기자] 온도 차를 통해 전기를 생산하는 열전발전의 재료로 쓰이는 하프호이즐러 화합물을 제어하는 새로운 방법이 개발됐다. 이 방법을 활용하면 하프호이즐러 화합물의 단점으로 꼽히는 열 전도도를 3분의 1로 줄일 수 있어 열전 성능의 획기적인 향상이 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)은 최벽파 신소재공학과 교수의 연구팀이 이흥순 경북대 신소재공학과 교수의 연구팀과 공동 연구를 통해 준 안정상을 활용해 하프호이즐러 열전재료의 나노 구조를 제어하는 새로운 방법을 개발했다고 11일 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제학술지인 '나노 에너지'에 실렸다.

연구팀은 하프 호이즐러 화합물의 열전도도를 낮추면서 전기 전도도는 높이는 방법을 개발했다.

최 교수 연구팀은 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 결정화의 상태는 다양하게 변화하고 이를 이용해 나노결정의 크기와 상을 제어할 수 있다.

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

최벽파 한국과학기술원 신소재공학과 교수

최 교수 연구팀이 새로 개발한 이 방법은 기존의 방법과는 달리 고온에서의 장시간의 열처리가 필요 없으므로 쉽고 경제적이면서도 더욱 복잡하고 세밀한 나노구조의 형성이 가능하다.

연구팀은 이렇게 만든 화합물을 3차원 원자 탐침 현미경과 투과 전자 현미경을 통해 관찰했는데, 하프호이즐러 물질 내부에 존재하는 수 나노미터의 풀호이즐러 석출물의 존재를 규명했다.

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 기대된다"고 말했다.

한편 하프호이즐러 화합물은 금속 간 화합물(합금)의 일종으로 열전발전, 태양광 발전, 자성재료 등의 에너지 재료로 각광을 받는 물질이다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr