산업 폐열 재활용의 길 열어
AgInSe₂ 기반 n형 소재 성능 향상
웨어러블·우주전력원 활용 기대
[천지일보=배다솜 기자] 연세대학교 연구팀이 폐열을 전기로 바꾸는 ‘초고효율 열전 소재’를 새롭게 개발했다. 기존 열전 소재의 한계를 극복할 수 있는 이번 기술은 산업 현장과 일상에서 버려지는 열에너지를 재활용해 전력으로 전환할 수 있는 가능성을 제시했다.
연세대 기계공학과 김우철 교수 연구팀은 ‘다이아몬드형 칼코겐화합물’ 계열의 신소재(AgCd₀.₂In₀.₉Zn₀.₁Se₂)를 개발해 열전 성능을 크게 향상시켰다고 10일 밝혔다. 연구팀은 유망한 열전 물질로 알려진 은 인듐 셀레나이드(AgInSe₂)에 카드뮴(Cd)과 아연(Zn)을 소량 첨가하는 도핑(doping) 기법을 적용해 성능을 끌어올렸다.
이 과정에서 형성된 원자 단위의 미세한 무질서와 격자 변형이 열의 흐름은 차단하고 전자의 이동은 유지시키는 구조를 만들어냈다. 고해상도 현미경 분석 결과, 이러한 구조적 무질서가 열전도도를 크게 낮추는 핵심 요인으로 작용했다. 신소재는 800K(약 527℃)의 고온에서도 0.2W/m·K 수준의 매우 낮은 열전도도를 기록했으며, 열전 성능지수(zT)는 1.15로 n형 다이아몬드형 칼코겐화합물 중 최고 수준을 나타냈다.
또한 연구팀은 새로 개발한 n형 소재를 기존 p형 소재와 결합해 소형 열전 발전기를 제작했다. 약 465K의 온도 차에서 전력 밀도 0.147W/cm²를 보이며, 산업 폐열이나 자동차 배기가스, 인체 체온 등 다양한 열원을 전력으로 전환할 가능성을 확인했다.
김우철 교수는 “재료의 무질서를 의도적으로 설계해 효율을 높인 새로운 접근법”이라며 “향후 폐열 회수형 발전기, 우주 탐사선 전력원, 웨어러블 기기 등 다양한 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 ‘엔트로피 공학(Entropy Engineering)’을 적용한 세계 최초의 n형 다이아몬드형 칼코겐화합물 사례로, 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 게재됐다. 연구에는 연세대 솜나스 아차르야(Somnath Acharya) 연구교수와 박성진 박사과정생이 참여했다.