국립창원대학교(총장 박민원)는 26일 첨단나노과학기술연구소 소속 정명훈 박사후연구원이 참여한 공동연구팀이 고성능 열전 소재인 은 셀레나이드(Ag2Se)를 보다 쉽고 확장 가능한 방식으로 제조할 수 있는 공정 전략을 제시했다고 밝혔다.
이번 연구는 열을 전기로 직접 변환할 수 있는 열전 소재의 성능과 실제 적용 가능성을 동시에 높이기 위한 것으로, 기존 고온·고압 기반 공정의 한계를 완화했다는 점에서 의미가 있다. 연구 결과는 국제저명학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Material(IF 21.8, JCR 상위 1.5%)’에 게재됐다.
정명훈 박사에 따르면 열전 소재는 산업 폐열, 웨어러블 기기, 냉각 시스템 등에서 버려지는 열을 전기에너지로 바꿀 수 있어 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 특히 은 셀레나이드(Ag2Se)는 상온 부근에서 우수한 n형 열전 성능을 보이는 소재로 알려져 있으나, 벌크 형태로 제조하기 위해서는 일반적으로 고온·고압 공정이나 복잡한 소결 과정이 필요해 대량 생산과 형상 제어에 한계가 있었다.
연구팀은 수용액 기반으로 합성한 Ag2Se 분말에서 과량의 셀레늄(Se)을 도입한 뒤, 상압 조건에서 623K, 약 350℃로 열처리하는 방법을 적용했다. 이 과정에서 셀레늄이 액상으로 전환되어 Ag2Se 입자 사이의 기공을 메우고 결정립 성장을 촉진함으로써 치밀한 벌크 구조를 형성했다.
특히 Ag2Se1.2 조성의 시료는 결정립 연결성과 밀도가 향상되면서 전기전도도가 증가했고, 격자 변형과 전위(dislocation)에 의한 포논 산란 효과로 낮은 격자 열전도도를 유지했다. 그 결과 393K에서 최대 열전 성능 지수(zT) 0.927을 달성했으며, 이는 동일 온도에서 기존 Ag2Se 시료 대비 약 70% 향상된 성능이다.
또한 연구팀은 해당 소재가 형상 순응성을 갖는다는 점에 착안해 원통형 열전 발전 소자를 제작했다. 원통형 소자는 곡면 열원과 직접 접촉할 수 있어 평면형 소자 대비 열 손실을 줄일 수 있으며, 다양한 온도 차 조건에서 안정적인 출력 전압과 전력을 나타냈다. 논문에서는 25.3K의 온도 차에서 개방 전압 31.53mV, 최대 출력 163.1㎼를 확인했다.
정명훈 박사는 “이번 연구는 은 셀레나이드 기반 열전 소재를 고성능 벌크 형태로 구현하면서도 기존 공정보다 단순하고 확장 가능한 제조 전략을 제시했다는 데 의의가 있다”며 “향후 곡면 배관, 산업 폐열 회수, 웨어러블·유연 에너지 하베스팅 소자 등 다양한 분야로의 응용 가능성이 기대된다”고 설명했다.
이번 연구는 국립창원대 G-램프(LAMP)사업단(단장 박종규 교수), 한국화학연구원 핵심사업, 중소벤처기업부 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 논문에는 국립창원대학교 정명훈 박사와 한국화학연구원 박병욱 선임연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 한국화학연구원 한미정, 강영훈 책임연구원이 교신저자로 참여했다.
* 논문 보기 사이트: Facile and Scalable Strategy for Fabricating Dense Bulk Ag2Se as a High-Performance Thermoelectric Material
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