한국에너지기술연구원(곽병성 원장) 분리변환소재연구실이 개발한 고성능 중온 열전소자 기술이 2018년 3월, 에너지 분야 유력지인 미국화학회 ‘어플라이드 에너지 머티리얼즈(Applied Energy Materials)’에 게재됐다.

열전소자는 열에너지를 전기로 변환하는 에너지 소자로, 열을 가하면 전기를 생성하고 전기를 가하면 흡열 반응을 하는 특성을 갖고 있어 온도계나 냉각 장치 등에 사용되고 있다. 이 중 발전 동작온도가 400~600℃인 중온 열전소자는 자동차 폐열 회수, 우주탐사선 전력용 등 다양한 신규 열 활용 발전분야에 적용 할 수 있어 주목받고 있는 기술 분야이지만, 낮은 발전 효율이 현장 적용을 늦추는 한계로 인식됐다.

연구원은 대표적인 중온 열전소자인 스쿠테루다이트(skutterudite) 열전소자를 구성하는 금속화층으로 철-니켈(Fe-Ni)층을 개발하고 적용함으로써 기존 기술 대비 개선된 장기 신뢰성과 높은 출력밀도 두 가지 특성을 동시에 확보했다.

중온 열전소자는 크게 열을 받아 전기를 생산하는 열전소재 부분과 열전소재들을 배열하고 고정시켜주는 기판부로 나뉜다. 열전소재와 기판부를 연결하기 위해서는 다양한 추가 기능층이 필요한데, 이 중 열전소재 표면에 접합된 금속화층(Metallization layer)은 두 파트가 원활하게 연결될 수 있도록 유도하는 기능을 한다.

이 금속화층은 고온에서 열전소재, 혹은 기판물질이 서로 확산돼 열화되는 것을 막아주는 역할을 하는데, 스쿠테루다이트 열전소자에 일반적으로 사용되는 티타늄(Ti) 금속화층은 확산을 방지하는 기능이 부족해 소자를 장시간 사용하지 못하는 단점이 존재했다.

이에 비해 연구원은 티타늄 금속화층을 대체하는 철-니켈(Fe-Ni) 금속화층을 새로 개발해 확산방지 성능을 대폭 개선했다. 또한, 열전변환 출력밀도 2.1W/cm2를 기록, 기존 기술 대비 20% 향상된 수준의 성능을 구현했으며 세계 최고 수준을 입증했다.

연구 논문의 제1저자인 한국에너지기술연구원 박상현 책임연구원은 “이번에 개발된 기술은 세계최고 수준의 열전발전 관련 소자기술을 확보한 데 의의가 크다”며, “단순히 출력특성을 높이는 수준을 넘어서 철-니켈(Fe-Ni)이라는 신규 기능층을 통해 개발된 소자가 고온에서 오랜 기간 작동하더라도 성능 저하를 최소화 할 수 있도록 하고, 이를 통해 개발된 중고온용 열전소자가 다양한 열 관련 발전분야에 적용될 수 있는 가능성을 극대화한 것”이라고 밝혔다.

또한 공동 교신저자인 유충열 박사는 “에너지기술연구원은 열전소자 기술개발에 그치지 않고, 소자를 산업화하는데 필수적인 열전발전소자 측정 기술 및 장비개발을 수행하고 있다”며, “최종적인 열전발전소자를 활용한 발전시스템까지 연구를 폭넓게 수행해 본 연구 성과가 실제 산업에 적용 가능성을 극대화할 수 있도록 노력하겠다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 에너지연의 2018년도 주요사업인 ‘계면 확산 방지형 중온열전모듈 개발’ 연구과제의 일환으로 진행돼 국내 및 해외 출원이 완료된 상태다.