- 세계 최초 산화물 금속화층을 기반으로 한 초고신뢰성 중고온 열전발전 소자개발

- 전도성 인듐주석 산화물로 금속화층을 형성하여 열화 최소화, 우수한 출력 유지

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지네트워크연구실 박상현 박사 연구진은 기존의 일반적인 중고온 열전소자에서 사용했던 고융점 금속기반의 금속화 기술이 가지는 성능적 한계를 개선·극복할 수 있는 세계 최초 산화물 금속화층을 기반으로 한 ‘초고신뢰성 중고온 열전소자‘ 개발에 성공했다.

◯ 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 동작온도가 300~700도인 중고온 열전소자는 1950년대부터 미국 NASA에서 우주개발 적용을 목적으로 RTG*시스템을 개발하면서 연구가 최초로 시작됐다.

 * RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator, 방사성 동위원소 열전발전기): 방사성 붕괴열을 이용하는 발전기로, 원자력 전지 중 한 부류

□ 기존 중고온 열전소자 기술은 티타늄(Ti)과 같은 고융점의 금속소재를 이용해 금속화층을 형성하였으며, 작동온도가 300~700도로 높기 때문에 장기간 안정적으로 동작하기에는 기술적인 난제들이 많았다. 특히 열전소재와 전극을 연결해주는 계면인 금속화층은 고온에서 열팽창과 수축을 반복하며 균열이 발생하여 소자가 파손되기 쉽다. 또한 파손되지 않더라도 고온에서 장기간 동작 시 금속화층을 통한 확산이 일어나 열전소재의 열화 및 열전소자의 성능저하로 이어지기 쉽다.

■ 연구진이 세계 최초로 개발한 산화물 금속화층 기술은 고온에서 금속보다 상대적으로 안정한 전도성 인듐주석 산화물을 열전소재 표면에 적용하여 금속화층을 형성하는 기술이다. 이 기술은 기존의 확산 열화문제를 최소화하면서 낮은 접촉저항의 우수한 특성도 동시에 달성했다.

□ 특히 소자의 장기 신뢰성을 테스트한 결과 500도까지의 열반복 실험 시 기존 기술인 Ti 기반 열전소자가 출력이 감소하는 반면 본 연구의 산화물 금속화층 기반 열전소자는 출력저하가 거의 없는 우수한 성능을 보였다. 또한 개발된 산화물 금속화층 소자는 기존의 Ti 금속 기반 열전소자 대비 80% 정도 확산 열화를 억제시키는 탁월한 안정성을 확인할 수 있었다.

■ 연구책임자인 박상현 책임연구원은 “금번 개발된 산화물기반 중고온 열전소자 기술은 우주산업에서 요구하는 40~50년 동안 지속 동작이라는 초고신뢰성의 에너지 발전 시스템을 충족시켜줄 수 있는 핵심 요소기술이며, 특히 열전소자를 차별화된 국내기술로 개발했다.”고 밝혔으며, “연구 성과를 기반으로 한국형 우주산업용 열전소자를 목표로 하는 후속 집중 연구를 수행한다면 중국 우주산업을 따라잡고 더 나아가 기술을 선도할 수 있는 기회가 될 것”이라고 밝혔다.

■ 본 연구 성과는 에너지 분야 유력저널인 어플라이드 에너지 머티리얼즈 (ACS Applied Energy Materials) 에 2020년 2월 게재돼 학술적 가치를 인정받았다.