경북대 노종욱 교수·연세대 이우영 교수

열전 변환 성능이 높은 고온용 나노 복합 구조 열전 소재가 개발됐다.

경북대 나노소재공학부 노종욱 교수팀은 연세대 신소재공학과 이우영 교수팀과 공동 연구를 통해 금속 나노입자를 포함하는 망간 실리사이드 나노복합체를 제조하고, 이를 이용해 열전 에너지 변환 성능 향상을 구현했다.

열에너지를 전기로 바꾸는 열전 소재는 친환경적이며 진동과 소음이 거의 없고 소형화가 가능하다는 장점으로 차세대 에너지 변환 기술로 각광받고 있다.

열전 에너지 변환 효율은 열전 성능지수(ZT)로 결정된다.

열전 성능지수를 구성하는 각 인자들의 독립적 제어를 통해 에너지 변환 효율을 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만 대부분 상온에서 사용되는 열전 소재에 집중돼 있다.

또한 산업적 측면에서 중요한 고온용 열전 소재에 관한 연구는 재료 합성의 어려움, 나노 소재의 안정성 문제 등의 이유로 많은 연구가 이뤄지지 못했다.

경북대와 연세대 연구팀은 대표적인 고온용 열전 소재인 망간 실리사이드에 철, 코발트 등의 금속 나노입자를 삽입해 복합구조를 형성했다.

삽입한 금속 나노입자가 망간 실리사이드 내에서 ‘에너지 밴드 벤딩’을 유도해 열전 소재의 성능을 결정하는 파워 팩터(power factor)를 크게 향상시켰다.

여기에 열 전도도를 크게 낮춘 결과 일반적인 망간 실리사이드 소재에 비해 열전 성능이 약 25% 향상된 것을 확인했다.

연구팀은 “망간 실리사이드 소재를 기반으로 손쉬운 공정을 통해 열전 성능을 증대시킬 수 있는 메커니즘을 발견했다는 측면에서 학술적 의미가 있다”며 “산업적인 측면에서 자동차·공장 폐열 등 버려지는 열에너지를 이용한 전력 생산 등에 활용될 수 있을 것으로 전망된다”고 밝혔다.

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