- 세계 최고수준의 출력밀도 특성을 가지는 고신뢰성의 중온 열전소자 개발

- 에너지 분야 유력 국제저널인 미국화학회 ‘어플라이드 에너지 머티리얼즈’ 논문 발표

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

○ 어플라이드 에너지 머티리얼즈(Applied Energy Materials) : 에너지 분야의 높은 주목을 받고있는 국제 논문집으로 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행함(2018년 3월 신규 발행)

 ○ 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 “한국에너지기술연구원은 열전소자 기술개발에 그치지 않고, 소자를 산업화하는데 필수적인 열전발전소자 측정 기술 및 장비개발을 수행하고 있다.”며, “최종적인 열전발전소자를 활용한 발전시스템까지 연구를 폭넓게 수행하여 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.