매일일보 = 안광석 기자 | 고려대학교(총장 김동원)는 전석우 신소재공학부 교수 연구팀이 값싸고 친환경 소재를 이용한 폐열회수를 위한 열전소재 제작 방법을 개발했다고 14일 밝혔다.
이번 연구는 신호선 한국표준과학연구원 박사 연구팀과의 공동연구를 거쳤다. 연구 결과는 세계적인 권위 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 이날 오후 7시(한국시간 기준)에 온라인 게재됐다.
열전기술은 열과 전기 사이의 에너지 변환 기술이다. 자연계의 태양열이나 체열 및 폐열 등의 버려지는 열을 전기로 변환시켜 에너지를 생산하는 친환경 에너지 변환 기술이다.
일반적으로 열전기술을 통해 열을 이용한 발전 효과와 전기를 이용한 냉각 효과를 얻을 수 있다. 전통적 산업에서의 폐열회수뿐 아니라 에너지 하베스터와 자가 동력 센서 등 첨단 산업 분야까지 폭넓은 활용성으로 주목받고 있다. 다만 높은 에너지 변환 효율을 보이는 열전소재는 비싸고 독성을 갖는 물질에 국한돼 있다.
이에 연구팀은 값싸고 환경에 미치는 영향이 적으며, 보편화된 공정으로 제작 가능한 산화아연(ZnO)에 주목했다. 연구팀은 산화아연의 열 흐름을 효과적으로 방해할 수 있는 첨단 나노 반도체 공정을 이용해 200~300나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 무수히 많은 구멍이 규칙적인 정렬 형태를 보이는 ‘3차원 나노-쉘 구조의 산화아연’을 제작했다.
이는 기존 보고된 산화아연 대비 열전도도를 10배 이상 감소시켰다. 결과적으로 열전도도의 비약적 감소와 제백계수의 향상을 통해 현재까지 보고된 산화아연 중 중온 영역에서(350℃) 가장 높은 열전 성능 지수(zT, 0.486)를 달성했다.
연구팀이 새로 개발한 나노구조화 및 그래핀 복합화 전략은 그간 달성할 수 없었던 산화아연의 높은 열전 성능을 구현할 수 있는 발판을 마련했다. 공장·자동차·전자소자 등에서 발생한 폐열을 이용해 전기를 생산하거나, 냉매가 필요 없는 전자식 열전냉각 장치로 활용될 수 있다.
전 교수는 “이번 연구는 가격·환경·성능 한계로 제한적인 분야에서만 활용된 열전발전기술을 다양한 분야에서 폭넓은 응용을 기대할 수 있게 한다”고 말했다.
