한국화학연구원 화학데이터기반연구센터 장현주·임진오·이예리 박사팀이 서울대 화학생명공학부 정인 교수팀과 함께 인공지능(AI)을 활용해 폐열을 전기로 만드는 열전소재를 만들었다. 이 새로운 열전소재는 폐열발전, 소형냉장고, 우주탐사선 발전 등 다양한 분야에 응용할 수 있다. 연구진은 현존하는 소재 중 가장 열전 성능이 높은 '셀렌화 주석(SnSe)'에 '이트륨'과 '나트륨'을 첨가해 열전소재를 만들어냈다. 연구진은 "이번에 개발한 소재는 열전성능지수가 2.08을 기록해 상용화가 가능한 수준"이라고 설명했다. 그동안 열전소재에 적절한 원소를 첨가해 열전 성능을 높일 수 있다는 것을 잘 알려져 있다. 하지만 원소의 종류와 농도 등의 최적 조건을 일일이 실험으로 찾기 위해서는 오랜 시간과 비용이 발생한다. 연구진은 이를 대신해 열전소재에 대한 연구데이터를 수집하고 빅데이터화 했다. 이를 기반으로 AI를 활용해 도핑에 따른 열전 성능 예측모델을 구축했다. 특히 AI 예측모델을 통해 2800건 이상의 도핑 조건에 대한 열전 성능을 수 분만에 예측해냈다. 연구진은 "기존 실험을 통해서는 1개의 후보 물질을 합성하고 그 도핑 효과를 검증하는데 일주일 이상이 걸린다"며 "도핑원소 탐색에 걸리는 시간을 AI로 대폭 단축해냈다"고 설명했다. 이 AI 예측모델로 '셀렌화 주석'의 열전 성능을 높일 수 있는 새로운 도핑원소와 도핑 농도를 찾아냈다. AI 기반의 예측모델은 셀렌화 주석에 이트륨과 나트륨 함께 첨가할 경우 열전 성능이 상용화 수준으로 높게 나타날 것으로 예측했다. 연구진은 이를 바탕으로 실재 직접 실험을 통해 열전소재를 만들었다. 이 열전소재로 테스트한 결과 인공지능이 예측한 수준의 성능을 보여줬다. 연구진은 이번에 개발한 소재를 세계적 학술지인 '미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)' 7월호에 공개했다. 한편, 이번 연구에서 사용한 빅데이터는 실험실의 전주기 연구 과정 중에 생성된 샘플의 합성조건과 열전특성 측정 등, 기존에 공개된 데이터에서는 얻을 수 없는 데이터들이다. 또 연구 과정에서 원하는 결과가 도출되지 않을 경우 발생하는 '다크 데이터'를 구축된 플랫폼을 활용해 버리지 않고 AI 모델 구축에 활용해 머신러닝 예측 성능 향상에 도움을 줄 수 있게 했다. 연구진은 실험과 계산 연구를 통한 고품질 열전소재 빅데이터를 구축하고, 플랫폼을 통해 많은 사람들이 쉽게 활용할 수 있도록 제공했다. 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국화학연구원 화학데이터기반연구센터 장현주·임진오·이예리 박사팀이 서울대 화학생명공학부 정인 교수팀과 함께 인공지능(AI)을 활용해 폐열을 전기로 만드는 열전소재를 만들었다. 이 새로운 열전소재는 폐열발전, 소형냉장고, 우주탐사선 발전 등 다양한 분야에 응용할 수 있다. 연구진은 현존하는 소재 중 가장 열전 성능이 높은 '셀렌화 주석(SnSe)'에 '이트륨'과 '나트륨'을 첨가해 열전소재를 만들어냈다. 연구진은 "이번에 개발한 소재는 열전성능지수가 2.08을 기록해 상용화가 가능한 수준"이라고 설명했다. 그동안 열전소재에 적절한 원소를 첨가해 열전 성능을 높일 수 있다는 것을 잘 알려져 있다. 하지만 원소의 종류와 농도 등의 최적 조건을 일일이 실험으로 찾기 위해서는 오랜 시간과 비용이 발생한다. 연구진은 이를 대신해 열전소재에 대한 연구데이터를 수집하고 빅데이터화 했다. 이를 기반으로 AI를 활용해 도핑에 따른 열전 성능 예측모델을 구축했다. 특히 AI 예측모델을 통해 2800건 이상의 도핑 조건에 대한 열전 성능을 수 분만에 예측해냈다. 연구진은 "기존 실험을 통해서는 1개의 후보 물질을 합성하고 그 도핑 효과를 검증하는데 일주일 이상이 걸린다"며 "도핑원소 탐색에 걸리는 시간을 AI로 대폭 단축해냈다"고 설명했다. 이 AI 예측모델로 '셀렌화 주석'의 열전 성능을 높일 수 있는 새로운 도핑원소와 도핑 농도를 찾아냈다. AI 기반의 예측모델은 셀렌화 주석에 이트륨과 나트륨 함께 첨가할 경우 열전 성능이 상용화 수준으로 높게 나타날 것으로 예측했다. 연구진은 이를 바탕으로 실재 직접 실험을 통해 열전소재를 만들었다. 이 열전소재로 테스트한 결과 인공지능이 예측한 수준의 성능을 보여줬다. 연구진은 이번에 개발한 소재를 세계적 학술지인 '미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)' 7월호에 공개했다. 한편, 이번 연구에서 사용한 빅데이터는 실험실의 전주기 연구 과정 중에 생성된 샘플의 합성조건과 열전특성 측정 등, 기존에 공개된 데이터에서는 얻을 수 없는 데이터들이다. 또 연구 과정에서 원하는 결과가 도출되지 않을 경우 발생하는 '다크 데이터'를 구축된 플랫폼을 활용해 버리지 않고 AI 모델 구축에 활용해 머신러닝 예측 성능 향상에 도움을 줄 수 있게 했다. 연구진은 실험과 계산 연구를 통한 고품질 열전소재 빅데이터를 구축하고, 플랫폼을 통해 많은 사람들이 쉽게 활용할 수 있도록 제공했다. 연구진은 "이 빅데이터에 기반한 AI 예측모델은 향후 다른물질로 확대해 쉽게 적용 가능할 것"이라고 말했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] LG이노텍이 자체 개발한 혁신소재 원천기술이 산업통상자원부의 녹색기술인증을 획득했다고 23일 밝혔다. LG이노텍에 따르면 녹색기술인증은 정부가 지속 가능한 성장에 기여하는 친환경 기술을 공인하는 제도다. 녹색기술인증을 획득한 LG이노텍의 나노 다결정 열전 소재는 선박 등 산업용 발전을 위한 열전 시스템에 적용되는 핵심소재다. 열전 발전은 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 방식을 말한다. 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직이는 전자의 성질을 활용해 열전 반도체 소재 양쪽에 온도차를 만들어 전력을 생산한다. 폐열을 회수해 전력을 재생산하기 때문에 전력 생산을 위한 발전기 가동 연료를 절감할 수 있고, 나노 다결정 열전 소재가 적용된 열전 시스템을 선박에 탑재할 경우 1척당 연간 892톤의 연료가 절감된다. 연간 2903t의 온실가스 배출 저감 효과도 있다. 이는 74만 그루의 소나무를 심은 것과 비슷한 효과다. 정철동 LG이노텍 사장은 "모든 산업분야에 걸쳐 환경 친화적인 제품과 기술의 중요성은 커질 것이다"라며 "LG이노텍은 환경·사회·지배 구조(ESG) 선도 기업으로 고객 경험 혁신을 위한 다양한 친환경 기술 및 제품 개발을 지속 확대해 나가겠다"라고 했다. rejune1112@fnnews.com 김준석 기자

한국화학연구원은 조성윤 박사팀이 열을 전기로 바꾸는 성능이 오래가고 인쇄 공정으로 가볍고 저렴하게 만들 수 있는 유기 열전소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 조성윤 박사는 "유기열전소재가 가볍고 유연해 향후 웨어러블 기기, 스마트 센서, 사물인터넷 등에 적용할 수 있다"고 설명했다. 또한 "차량이나 선박에 적용하면 폐열을 전기로 생산할 수 있다"고 말했다. 연구진은 공기 중에 3주 이상 노출돼도 열전 성능을 유지하는 새로운 폴리티오펜 활용 소재를 개발했다. 연구진이 만든 열전 소자를 사용한 결과 300시간 후에도 90% 이상 성능이 유지됐다. 또한 10℃의 온도차에서 18.5㎻㎠의 전력 밀도를 나타냈다. 글로벌 마켓 리서치 회사인 아이디테크엑스(IDTechEx)의 시장조사에 따르면 열전소자 전체 세계 시장규모는 2018년 2억7400만 달러(약 3097억5700만원)에서 2022년에는 7억4600만 달러(8433억5300만원)로 연평균 약 54% 성장할 것으로 보인다. 공기 중에서 장시간 성능이 지속되는 폴리티오펜 열전 소자 제작은 이번이 처음이다. 지금까지 폴리티오펜을 활용한 소재는 공기 중의 산소, 수분의 영향을 받아 일주일만 지나도 열전 성능이 80% 이상 떨어졌다. 이번 연구결과는 그 우수성을 인정받아 에너지 소재 분야 권위지인 '나노 에너지(Nano Energy)' 4월호 논문에 게재됐다. 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 열에너지를 전기에너지로 만드는 새로운 열전 소재를 개발했다. 이 소재는 잘 늘어나고 구기거나 찢어져도 금세 회복된다. 연구진은 향후 이 소재를 이용해 입고만 있어도 몸의 열로 전기를 만드는 옷이 탄생할 것이라고 전망했다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 장성연 교수팀이 자가 치유 능력과 신축성을 동시에 지닌 '이온성 고분자 열전소재'를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다. 연구진은 열전기로 만드는 소재에 자가 치유 능력을 부여해 우수한 열전 변환 능력, 자가 치유 능력, 신축성을 동시에 갖는 물질을 합성하는 데 성공했다. 연구진이 개발한 유기물 기반의 열전소재는 전자 대신 이온이 움직여 전압이 발생해 열전 변환 효율이 높다. 실험결과 온도차에 의해 기전력이 발생하는 '소레 효과'로 8.1 mV K-1의 매우 높은 제베크 계수(단위 온도당 전기적 위치에너지) 값과 열전 성능 지수(ZT)4) 1.04를 달성했다. 이는 현재까지 보고된 유기열전소재의 ZT 값중 가장 높다. 또 최대 7.5배까지 늘어나는 높은 신축성을 보였다. 50% 늘리는 것과 절단했다가 다시 붙이는 것을 30회 반복해도 열전성능에는 변화가 없었다. 장성연 교수팀은 국민대학교 응용화학부 전주원 교수팀과 함께 이번 연구를 진행했다. 전주원 교수는 "공액계 전도성고분자와 전해질 고분자를 복합화하고 이들과 수소결합과 극성결합을 형성할 수 있는 물리적 가교제를 첨가해 신축성과 자가 치유 특성을 갖춘 고성능 열전소재를 개발했다"고 설명했다. 이와 더불어 연구진은 이 열전소재를 이용해 생산된 전기를 저장할 수 있는 복합에너지 소자를 만들었다. 열전발전의 경우 생산되는 전력량이 일정치 않아 전기를 저장해야 생산된 전력을 더 효율적으로 사용할 수 있다. 장성연 교수는 "향후 웨어러블 자가전원을 개발하는데 있어 새로운 전기를 마련하는 소재를 개발했다는 데 큰 의미가 있다"고 강조했다. 이번 연구결과는 에너지 분야에서 권위 있는 학술지인 '에너지와 환경과학'에 5월 15일자로 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

국내 연구진이 냉온 정수기, 와인 냉장고 등에 쓰이고 웨어러블 기기의 자가 전원으로 사용 가능한 발전 효율을 높인 열전 재료를 개발했다. 열전 재료는 주변의 열을 직접 전기 에너지로 변환하거나 전기를 이용해 온도를 변화시키는 등 폐열 수거 및 지속 가능한 발전 에너지로 이용할 수 있다. 한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 김성근, 김진상 박사 연구팀은 16일 최신 반도체 공정을 접목해 주변의 열을 직접 전기 에너지로 변환하거나, 전기를 가해 온도를 변화시킬 수 있는 열전 소재의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. KIST 연구진은 기존의 분말 형태의 열전 반도체인 '비스무스-텔루라이드'(Bi-Te) 소재에 최신 반도체 나노 공정인 원자층 증착법을 접목했다. 원자층 증착법은 대량의 분말 재료에 대해 균일한 코팅을 가능하게 하는 증착 기술로, 수 나노 두께의 얇은 산화 아연층을 증착하여 열전 재료의 성능을 기존 대비 50% 이상 향상 시켰다. 이번에 접목한 원자층 증착법은 기존 분말 열전 재료 제조 공정에 적용이 유리하다는 장점이 있다. 따라서, 이번 연구결과를 통해 열전 재료 제조 분야에 널리 사용가능하고, 재현성 높은 나노 기술 접목 공정을 제공해 열전재료의 대량 생산에 널리 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. KIST 김성근 박사는 "이번 성과는 실제 양산에서 이용되는 반도체 공정을 접목해 양산 가능한 나노 기술로 열전 성능을 향상시켰다는 점에서 큰 의의가 있으며, 앞으로 열전 반도체 소재 개발에 있어 중요한 계기가 될 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행됐다. 연구결과는 나노소재분야 국제 저널인 'ACS Nano' 최신호에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

신재생 에너지원으로 주목받는 열전소재의 상용화를 앞당길 핵심기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자 연구단 정인 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 팀은 그간 비싼 가격으로 인해 상용화가 어려웠던 친환경·고성능 열전소재를 더 저렴하게 고성능으로 제조할 수 있는 기술을 개발했다. 열전소재는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 장치다. 전류를 흘리면 발열 및 냉각이 일어나기 때문에 환경에 유해한 냉매를 사용하지 않는 친환경 냉각장치 등에 사용된다. 반대로 온도차를 이용해 자발적으로 전류를 발생시킬 수 있어 공장에서 발생하는 폐열, 신체의 온도, 태양열 등을 모아 전력을 생산할 수도 있다. 열전소재의 효율은 열전도도와 전기전도도에 의해 결정된다. 전기전도도가 높을수록, 열전도도가 낮을수록 성능이 우수한 소재가 된다. 셀레늄화주석(SnSe)은 이 조건을 만족하는 동시에 친환경적이고, 매장량도 풍부해 최적의 재료로 꼽힌다. 단결정 셀레늄화주석의 열전성능지수는 약 2.6으로 지금까지 보고된 소재 중 최고 수준이다. 문제는 단결정 셀레늄화주석이 제조가 까다롭고 오래 걸려 대량 생산이 어렵고, 쉽게 부러지는 특성이 있어 사실상 상용화가 불가능하다는 점이다. 이 때문에 단결정 시료에 견줄만한 성능을 가진 다결정 셀레늄화주석을 개발하려는 연구가 이뤄졌지만, 단결정 대비 30% 이하의 열전성능지수를 나타내 성능이 현저히 떨어진다는 한계가 있었다. 정인 연구위원 팀은 나노미터(nm) 수준에서 시료를 관찰할 수 있는 ‘구면수차 보정 주사 투과전자현미경’을 이용해 성능 저하의 원인을 규명했다. 그 결과, 산소 노출을 현저히 제한한 환경에서 합성한 다결정 셀레늄화주석 조차 시료 안에 극소량의 산화주석(SnO, SnO2) 나노입자가 존재함을 관찰했다. 산화주석은 셀레늄화주석보다 열전도도가 140배가량 높은 물질이다. 이 특성이 소재 전체의 열전도도를 향상시켜 열전성능을 크게 저해한 것이다. 이어 연구팀은 산화주석 나노입자를 효과적으로 제거하기 위한 방법도 개발했다. 연구진이 셀레늄화주석 분말을 나노크기로 분쇄(볼밀공정)한 후 저농도 수소 가스를 높은 온도에서 흘려 문제가 되는 산화주석을 간단하게 제거했다. 그 결과 연구진은 다결정 셀레늄화주석의 열전도도를 45% 가량 낮춰 단결정 수준으로 만들 수 있었다. 불순물로 작용하던 산화주석 나노입자가 사라져 전기전도도 역시 향상됐다. 최종적으로 개발된 다결정 열전소재의 열전성능지수는 2.5 이상을 기록했다. 이는 동일한 작동온도에서 기존 단결정 셀레늄화주석 열전소재에 버금가는 성능이며, 보고된 모든 다결정 소재 중 가장 우수한 성능이다. 이번 연구는 그간 밝혀지지 않았던 다결정 셀레늄화주석이 높은 열전도도를 보이는 원인을 규명함과 동시에 간단한 화학반응을 통해 이 문제를 해결할 수 있는 전략을 제시했다는 의미가 있다. 공장, 자동차 엔진, 컴퓨터프로세싱유닛(CPU) 등 전자소자의 폐열을 이용해 전기를 생산할 수 있어 친환경성과 경제성의 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있을 것으로 기대된다. 정 연구위원은 “친환경.고성능 열전소재인 셀레늄화주석을 단결정 분말로 저렴하게 만들어 활용할 수 있는 길을 연 것”이라며 “가격과 성능의 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전발전기술이 이번 연구를 통해 상용화에 한걸음 가까워졌다”고 말했다. 이번 연구는 ‘셀(Cell)’의 자매지인 ‘줄(Joule)’3월 20일자 최신호에 실렸다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자

한국화학연구원은 조성윤 박사 연구팀이 열을 전기 에너지로 바꾸어주는 새로운 유연 열전 소재를 개발했다고 13일 밝혔다. 기존 열전 소재의 단점인 공기 중 취약성을 극복하고 인쇄 공정으로 간단하게 만들 수 있는데다 유연하게 휘어지는 특성도 가지고 있어, 향후 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 새로운 가능성을 열었다. 열전 소재는 주변의 열을 전기 에너지로 바꾸거나, 반대로 전기에너지로 온도를 낮추거나 올릴 수 있는 소재다. 일상생활 속에서 와인냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등에 쓰인다. 특히 사람의 체온으로 전기에너지를 발생시키면 웨어러블 기기의 자가전원으로 쓸 수 있기 때문에 미래 활용도가 높다. 그러나 지금까지 전기로 온도를 바꾸는 소재는 상용화가 많이 된 반면, 열을 전기로 바꿔주는 열전 소재는 잘 사용되지 않았다. 현재 쓰이는 소재의 제조 공정이 까다롭고 복잡해 만들기 어렵고, 효율이 낮으며 값이 비싸기 때문이다. 또 공기 중에서 쉽게 산화*되어 대기 안정성이 취약하고 깨지기 쉬우며 유연하게 만들기 힘들다. 인체에 독성이 있으며 물질의 매장량도 부족하다는 문제점도 있다. 따라서 기존 소재를 대체하고 상업화를 확대할 수 있는 새로운 열전 소재 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 그 중 ‘흑린’ 이라는 소재가 주목받고 있는데, 흑린*은 지구에 풍부한 원소인 ‘인(P)’으로 만들기 때문에 고갈 우려가 없고 인체에 무해하다. 그러나 흑린 자체만으로는 공기 중에서 쉽게 산화되어 안정성이 떨어지고 전기전도도가 낮아서 이와 관련한 추가 연구가 필요한 상황이다. 연구팀은 흑린 덩어리를 얇은 층의 판으로 떼어낸 후 표면에 금 나노입자를 결합시켜, 공기 중 안정성을 높이고 전기전도도를 획기적으로 향상시킨 새로운 소재를 개발했다. 새로운 소재는 용액 인쇄 공정으로 만들 수 있어 제조 공정이 단순하고, 유연하게 휘어질 수 있다. 연구팀은 물과 에탄올의 혼합 용매*에 흑린판과 금 나노입자 전구체를 분산시켜 화학반응을 통해 금 나노입자가 흑린판 표면에 결합될 수 있도록 했다. 흑린판 표면에 금 나노입자가 결합되면 흑린판과 공기와의 접촉을 막아주어 흑린이 공기 중에서 쉽게 산화되지 않고 안정적으로 오래 있을 수 있다. ◆용어설명 *용매 : 용액을 만들 때 어떤 물질을 녹이는 액체 *흑린 : 반도체 소재 중 전하 이동도가 우수한 인(P) 원소로 구성된 2차원 물질 *전구체 : 어떤 물질의 전 단계 물질   seokjang@fnnews.com 조석장 기자

고성능 열전 소재 개발에 성공한 UNIST 신소재공학부 손재성 교수(오른쪽)와 박성훈 연구원(왼쪽). 버려지는 열을 전기로 바꿀 기술을 UNIST(총장 정무영) 연구진이 개발했다. UNIST 신소재공학부 손재성 교수팀은 '페인트처럼 바르는 열전 소재'와 이 소재로 열전발전기를 만드는 '페인팅 공정'을 개발했다고 15일 밝혔다. 기존에도 잉크 형태의 열전 소재가 나오긴 했지만 성능이 매우 낮거나 프린팅 전용이었다. 이번 연구 결과는 세계 최초로 그려서 기존 열전 소재와 유사한 성능을 가진 열전발전기를 구현한 것으로, 다양한 모양의 열원에 그려서 전기를 생산할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 열전효과는 열에너지가 전기에너지로, 반대로 전기에너지가 열에너지로 변하는 현상이다. 이 효과는 이미 다양한 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박의 폐열 발전장치 등에 쓰이며 이들 장치에는 직육면체 소재의 평판 열전 발전모듈이 이용된다. 하지만 열을 가진 물체의 표면은 둥그스름한 경우도 많아 기존의 열전 소재를 적용해서는 효과적으로 열을 회수하지 못했다. 이를 해결하기 위해 손 교수팀은 열원에 열전 페인트 소재를 발라서 전기를 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 손 교수는 "페인팅 공정으로 일체화된 열전 모듈은 평판형 열전 모듈의 한계를 극복하고 효율적으로 열에너지를 회수했다"며 "작업자가 원하는 형태로 열전 발전시스템을 직접 제작할 수 있고 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작에 따른 비용을 줄일 수 있어 경제적으로도 효율적인 방식"이라고 설명했다. 연구진이 개발한 열전 페인트 소재의 성능지수는 0.69(n형 소재), 1.21(p형 소재 )로 나타났다. 상용화된 평판형 열전 소재의 성능지수는 보통 1.0으로 이와 유사한 수준을 보인 것이다. 또한 페인팅 공정을 통해 제작된 곡면형 열전발전기의 전력밀도도 상용화된 열전 모듈과 비슷하게 나타났다. 제1저자인 박성훈 UNIST 신소재공학부 석사과정 연구원은 "열전 소재를 잉크 형태로 만들면 밀도가 낮아지기 쉬운데, 이를 새롭게 개발한 무기물 소결 조제(sintering aid)를 첨가해 보완했다"며 "소재들을 치밀하게 뭉치는 무기물 소결 조제는 열전 소재뿐 아니라 다른 에너지 및 전자 소재에도 적용 가능하다"고 설명했다. 특히 이번 기술은 자연계에서 열로 변해 손실되는 에너지원(60% 이상)의 회수 방법으로도 주목받고 있다. 다양한 모양에 적용하기 어려운 기존 소재의 한계를 넘어선 덕분이다. 손 교수는 "이번에 개발된 열전 페인트와 페인팅 공법은 열원의 형상, 종류, 크기에 관계없이 적용 가능하다"고 말했다. 이번 논문은 세계적 과학저널 네이처 커뮤니케이션스 이달 11일자 온라인판에 게재됐다. kky060@fnnews.com 김기열 기자

버려지는 열을 전기로 바꿀 기술을 UNIST(총장 정무영) 연구진이 개발했다. UNIST 신소재공학부 손재성 교수팀은 '페인트처럼 바르는 열전 소재'와 이 소재로 열전발전기를 만드는 '페인팅 공정'을 개발했다고 15일 밝혔다. 기존에도 잉크 형태의 열전 소재가 나오긴 했지만 성능이 매우 낮거나 프린팅 전용이었다. 이번 연구 결과는 세계 최초로 그려서 기존 열전 소재와 유사한 성능을 가진 열전발전기를 구현한 것으로, 다양한 모양의 열원에 그려서 전기를 생산할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 열전효과는 열에너지가 전기에너지로, 반대로 전기에너지가 열에너지로 변하는 현상이다. 이 효과는 이미 다양한 소형 냉각 장치와 자동차 엔진, 선박의 폐열 발전장치 등에 쓰이며, 이들 장치에는 직육면체 소재의 평판 열전 발전 모듈이 이용된다. 하지만 열을 가진 물체의 표면은 둥그스름한 경우도 많아 기존의 열전 소재를 적용해서는 효과적으로 열을 회수하지 못했다. 이를 해결하기 위해 손재성 교수팀은 열원에 열전 페인트 소재를 발라서 전기를 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 손 교수는 "페인팅 공정으로 일체화된 열전 모듈은 평판형 열전 모듈의 한계를 극복하고 효율적으로 열에너지를 회수했다"며 "작업자가 원하는 형태로 열전 발전 시스템을 직접 제작할 수 있고 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작에 따른 비용을 줄일 수 있어 경제적으로도 효율적인 방식"이라고 설명했다. 연구진이 개발한 열전 페인트 소재의 성능지수는 0.69(n형 소재), 1.21(p형 소재 )로 나타났다. 상용화된 평판형 열전 소재의 성능지수는 보통 1.0으로 이와 유사한 수준을 보인 것이다. 또한 페인팅 공정을 통해 제작된 곡면형 열전발전기의 전력 밀도도 상용화된 열전 모듈과 비슷하게 나타났다. 제1저자인 박성훈 UNIST 신소재공학부 석사과정 연구원은 "열전 소재를 잉크 형태로 만들면 밀도가 낮아지기 쉬운데, 이를 새롭게 개발한 무기물 소결 조제(sintering aid)를 첨가해 보완했다"며 "소재들을 치밀하게 뭉치는 무기물 소결 조제는 열전 소재뿐 아니라 다른 에너지 및 전자 소재에도 적용 가능하다"고 설명했다. 특히 이번 기술은 자연계에서 열로 변해 손실되는 에너지원(60% 이상)의 회수방법으로도 주목받고 있다. 다양한 모양에 적용하기 어려운 기존 소재의 한계를 넘어선 덕분이다. 손재성 교수는 "이번에 개발된 열전 페인트와 페인팅 공법은 열원의 형상, 종류, 크기에 관계없이 적용 가능하다"며 "학술적 개념 제안에서 한 걸음 나아가 일상생활에서 버려지는 다양한 형태의 배·폐열 발전은 물론 건물 외벽, 지붕, 차량 외관 등에 도입해 새로운 형태의 신재생에너지 발전 시스템으로 발전될 수 있을 것"이라고 전망했다. 이번 논문은 세계적 과학저널 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 이달 11일자 온라인판에 게재됐다. kky060@fnnews.com 김기열 기자