고성능 열전 반도체 소재 개발 기대
[기계신문] 열을 전기 에너지로, 또는 그 반대로 직접 변환할 수 있는 열전 재료는 폐열 수거 및 지속 가능한 발전 에너지로 최근 주목을 받고 있다. 특히, 주변의 열을 이용한 열전 발전 기술은 부가적인 장치 없이 직접 전기를 생산 할 수 있어, 구조가 간단하고 고장 가능성이 적으며 신뢰성 있는 전력원으로 사용할 수 있다.
하지만 열전 소자의 발전 효율은 그리 크지 않아 널리 쓰이지 못하고 있다. 따라서 열전 소자 발전 효율의 향상은 반드시 필요하다. 소자의 발전 효율은 소재의 성능에 의하여 크게 좌우되며, 소재 성능 향상이 소자의 발전 성능의 증가를 가져온다.
한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 김성근, 김진상 박사 연구팀은 최신 반도체 공정을 접목하여 주변의 열을 직접 전기 에너지로 변환하거나, 전기를 가해 온도를 변화시킬 수 있는 열전 소재의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
연구팀은 기존의 분말 형태의 열전 반도체인 ‘비스무스-텔루라이드’(Bi-Te) 소재에 최신 반도체 나노 공정인 원자층 증착법을 접목하였다. 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 향상시켰다. 비스무스 텔루라이드는 열전 반도체 소재로 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수를 가지고 있다.
이번에 접목한 원자층 증착법은 기존 분말 열전 재료 제조 공정에 적용이 유리하다는 장점이 있다. 따라서 이번 연구결과를 통해 열전 재료 제조 분야에 널리 사용 가능하고, 재현성 높은 나노 기술 접목 공정을 제공하여 열전 재료의 대량 생산에 널리 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
김성근 박사는 “이번 성과는 실제 양산에서 이용되는 반도체 공정을 접목하여 양산 가능한 나노 기술로 열전 성능을 향상시켰다는 점에서 큰 의의가 있으며, 앞으로 열전 반도체 소재 개발에 있어 중요한 계기가 될 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노소재분야 국제 저널인 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재되었다.
