한국에너지기술연구원(곽병성 원장)은 분리변환소재연구실 연구팀이 세계 최고 수준의 출력밀도와 신뢰성을 가진 중온 열전소자 제조 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

열전소자는 열에너지를 전기로 변환하는 에너지 소자다. 열을 가하면 전기를 생성하고 전기를 가하면 흡열 반응을 하는 특성이 있어 온도계나 냉각 장치 등에 사용되고 있다.

발전 동작 온도가 400~600℃인 중온 열전소자는 자동차 폐열 회수, 우주탐사선 전력용 등 다양한 신규 열 활용 발전 분야에 적용할 수 있어 주목받고 있는 기술 분야다. 하지만 낮은 발전 효율로 현장 적용이 늦춰지고 있다.

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

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

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

연구팀은 티타늄 금속화층을 대체하는 철-니켈(Fe-Ni) 금속화층을 새로 개발해 확산방지 성능을 대폭 개선했다. 또 열전변환 출력밀도 2.1W/cm2를 기록, 기존 기술 대비 20% 향상된 수준의 성능을 구현했다.

연구 논문 제1 저자인 박상현 에너지연 책임연구원은 "단순히 출력특성을 높이는 수준을 넘어 철-니켈이라는 신규 기능층을 통해 개발된 소자가 고온에서 오랜 기간 작동하더라도 성능 저하를 최소화했다"라며 "이를 통해 개발된 중고온용 열전소자가 다양한 열 관련 발전 분야에 적용될 수 있는 가능성을 극대화했다"고 말했다.

공동 교신저자인 유충열 에너지연 박사는 "열전소자 기술 개발에 그치지 않고 소자를 산업화하는데 필수적인 열전발전소자 측정 기술과 장비개발을 수행하고 있다"라며 "연구 성과가 실제 산업에 적용되도록 노력하겠다"고 언급했다.

한편, 이번 연구 성과는 에너지 분야 유력지인 미국화학회 '어플라이드 에너지 머티리얼즈(Applied Energy Materials)'에 지난달 게재됐다.