[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 자동차 배기관이나 공장 굴뚝을 열전소재로 만들어 전기를 생산하는 기술을 개발했다. 열전소재로 배기관을 만들면 고온의 가스가 흐르는 배기관 내부와 바깥 온도차이로 전기를 만든다. 연구진은 파이프형 열전발전기가 기존 열전발전기를 파이프에 부착하는 것에 비해 전체 시스템이 매우 단순해지고 추가공정이 필요하지 않아 효율적이라고 설명했다. 울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 손재성·채한기 교수와 기계공학과 김성엽 교수팀이 열전소재 입자에 금속을 첨가해 3D 프린팅 가능한 고효율 열전 잉크 소재를 개발했다고 27일 밝혔다. 파이프형 열전발전기는 파이프 내부를 지나는 열원으로부터 열을 직접적으로 전달받기에 열손실을 최소화 할 수 있다. 연구진은 3D 프린팅 기술을 활용해 파이프형 열전발전기를 만들어 실험했다. 시뮬레이션을 통한 비교 결과 약 500℃의 뜨거운 기체가 흐를 때, 파이프형 열전발전기는 파이프 위에 부착한 열전발전기보다 1.8배 이상 뛰어났다. 또 제조된 열전 발전기의 출력전력밀도는 300℃의 온도 차이에서 154㎽/㎠에 달했다. 손재성 교수는 "기존 열전 발전기는 공정 한계로 직육면체 열전 소재들로 이뤄진 평판 열전 발전기가 대다수"라며 "이번 연구로 가장 흔한 열원인 공장이나 자동차 배기관의 열을 전기로 효율적으로 바꿀 수 있게 됐다"고 설명했다. 연구진은 배기가스 온도인 400~800℃에서 열전성능이 우수한 납-텔루라이드 입자로 열전 잉크 소재를 만들었다. 납-텔루라이드 입자가 글리세롤에 분산된 형태다. 이 잉크 소재는 찰흙처럼 고정된 모양을 유지하면서도 쉽게 변형할 수 있는 점탄성이 높다. 납-텔루라이드 입자에 금속을 도핑하면 생기는 입자 표면의 정전기가 점탄성을 유발하기 때문이다. 입자간 전기적 반발력이 입자들의 이동을 방해하는 원리다. 개발된 열전 잉크 소재는 점탄성을 띤 잉크 형태로 합성된 뒤에도 성능 저하가 없었다. 제 1저자인 이정수 연구원은 "점탄성 잉크형태로 만들어진 n형과 p형 열전소재의 열전성능지수는 각각 1.2와 1.4로, 벌크상태 열전성능지수와 비슷한 값을 가졌다"며 "유기물 결합제를 이용한 기존 기술과 달리 열전성능 저하가 없었다"고 설명했다. 납-텔루라이드에 나트륨을 도핑하면 n형 열전소재가, 안티모니를 첨가하면 p형 열전소재가 된다. n형 열전소재와 p형 열전소재를 전극으로 이어붙이면 전류가 흐른다. 채한기 교수는 "열전소재 분야에 3D 프린팅을 쓴다면 기존 소재가 갖는 여러 한계를 극복 할 수 있다"며 "또 첨가제 없이 잉크에 점탄성을 띠게 할 수 있는 이번 기술은 열전소재뿐만 아니라 다양한 분야에 응용될 것"이라고 기대했다. 한편, UNIST 안상준 교수, 홍재형 박사, 전남대의 이지은 교수, 한국전기연구원의 장정인 연구원이 함께 참여한 이번 연구는 세계적 과학저널인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 지난 15일자로 온라인 공개됐으며, 표지 논문로 선정돼 정식출판을 앞두고 있다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 열과 전기로 서로 변환이 가능한 열전 소재를 만드는 기술을 개발했다. 이 기술로 친환경 냉각장치나 자동차·공장의 폐열을 활용해 전기를 만드는데에도 활용할 수 있다고 연구진은 설명했다. 재료연구소(KIMS)는 기능세라믹연구실 민유호 박사 연구팀이 ㈜LG화학 박철희 박사 연구팀과 공동연구해 새로운 열전 소재를 개발했다고 2일 밝혔다. 연구진은 재료 내부의 틈이나 구멍을 인위적으로 제어해 열이나 전기적 특성을 동시에 조절할 수 있는 소재 설계를 한 것이다. 연구책임자인 재료연구소 민유호 선임연구원은 "손쉬운 공정과 친환경 원소의 사용 등 고효율 열-전기에너지 변환소재 개발을 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다" 현재까지 열전 소재는 환경적 사용 제약을 지닌 납이나 값비싼 게르마늄 등을 포함해 상용화가 어려웠다. 이에 연구진은 친환경 원소만을 활용해 소재 내부의 결함 농도를 조절하고 열적 전기적 특성을 동시에 제어했다. 연구진은 열전소재 주재료로 주석텔루라이드(SnTe)를 선택했다. 여기에 여기에 안티몬텔루라이드(Sb2Te3)를 추가해 소재 내부의 틈이나 구멍인 공공을 조절한 것이다. 연구팀은 전기전달 매개체의 농도를 최적화해 소재의 전기적 특성을 향상시켰다. 이 소재는 각각 주석텔루라이드 대비 열전성능지수가 약 152%, 안티몬 만을 도핑한 소재 대비 약 25% 향상된 결과를 얻었다. 결함 제어를 통한 소재 설계 기술은 유사한 염화나트륨 결정구조를 가진 다른 열관리 및 신재생에너지용 소재 개발에 손쉽게 활용이 가능하다. 민유호 선임연구원은 "열전 소재 설계 기술은 열전 분야 이외에도 열적 전기적 물성 조절이 필요한 유사 결정구조를 지닌 소재 개발에 손쉽게 활용될 수 있어 앞으로 활용성이 기대된다."고 말했다. 이번 연구결과는 에너지 분야의 세계적 학술지인 '나노에너지' 8월호에 게재됐다. 한편, 열에너지 하베스팅 및 정밀온도 제어 등 열전변환 신소재 시장은 센서네트워크, 군사, 헬스케어, 기타 산업용 등을 포함해 2022년 기준, 약 7억4600만 달러로 예상되고 있다. 전반적 열관리 시스템 시장 또한 향후 산업적 파급효과가 크기 때문에 관련 시장은 앞으로 보다 확대될 것으로 기대된다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

신성철 한국과학기술원(KAIST) 총장이 미국 노스웨스턴대 재료과학 분야‘올해의 자랑스러운 동문상’수상자로 선정됐다. 동문상 선정위원회는 최근 세계 자성학 분야에서의 독보적인 연구로 재료물리학 발전에 기여한 학문적 업적과 대학 총장으로서 고등교육 및 인재양성에 기여한 공로를 인정해 신성철 KAIST 총장을‘올해의 자랑스러운 동문상’수상자로 선정했다고 밝혔다. 시상식은 오는 5월 16일 노스웨스턴대에서 열린다. 신 총장은 1974년 서울대 응용물리학과 학사학위를 취득하고 1977년 KAIST 고체물리학과 석사를 거쳐 1984년 노스웨스턴대에서 재료물리학 박사학위를 받았다. 노스웨스턴대 박사과정 재학 중 금속인 비스무트와 반도체인 납텔루라이드(PbTe)의 구조가 유사하다는 점에 착안해 두 물질로 초격자 다층박막 구조를 세계 최초로 만들어 초격자 구조 신물질을 제작하는 성과를 냈다. 1989년부터 KAIST 교수로 재직한 신 총장은 나노 자성체 스핀 동력학을 연구하는 ‘나노스핀닉스(Nanospinics)’ 분야를 개척했으며, 20여 년간 300여 편의 관련 논문을 발표하고 37건의 국내외 특허를 등록·출원하는 등 이 분야의 국내외 연구를 선도했다. 이 같은 공로로 2008년 자성학 분야 한국 과학자로서는 최초로 미국 물리학회 석학회원(Fellow)에 선정됐고 2016년 한국 과학자로서 최초로‘아시아자성연합회(AUMS)’상을 받았다. 신 총장은 또 2011년부터 2017년 2월까지 대구경북과학기술원(DGIST) 총장을, 2017년 3월부터는 모교인 KAIST에서 동문 사상 최초의 총장으로 선출돼 재직 중이다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자