전 세계에서 생산된 에너지의 65%는 사용되지 못하고 열로 사라지며 이를 ‘폐열’이라 한다. 절대적으로 화석연료에 의존하는 전력 생산에서 다량의 폐열을 사용 가능한 에너지로 회수하는 열전 기술은 현재 직면한 에너지와 환경 문제에 대처할 첨단기술이다.

국내 연구팀이 열전 기술 분야의 새로운 지평을 열었다. 서울대학교 공과대학 정인 화학생물공학부 교수팀은 3일 고가의 원소를 포함하지 않아도 세계 최고 발전 효율을 갖는 ‘열전 신소재’개발에 성공했다고 발표했다.

열전 기술은 열에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있고 간단한 반도체 소자에 구현되기 때문에 어떠한 기계적 소음이나 진동, 유해한 화학물질를 발생시키지 않는다.

실제 미국에서 2차례 발사한 화성탐사선 주 에너지원은 열전이었고, 맷 데이먼이 주연한 영화 ‘마션(Martian)’에서 화상탐사차량의 에너지원으로 소개되었다.

하지만 그동안 개발된 고성능 소재들은 유독한 납과 희귀한 텔루륨 등의 원소를 포함해 낮은 발전 효율로 상용화가 어려웠다. 또한 단결정 소재는 노동집약적으로 장시간 고비용 제작과정으로 대량 생산이 불가능하며, 기계적 결함으로 상요화가 어려웠다. 산업화에 유리한 셀레늄화 주석 다결정 소재 연구가 전 세계에서 진행되었으나 단결정 소재보다 매우 낮은 효율을 보였다.

이번에 정인 서울대 교수팀은 주석(Sn)과 셀레늄(Se)에 기반한 초고성능 다결정 소재를 개발해 이 문제를 해결해냈다. 다결정 소재들이 낮은 성능을 가지는 근본적 원인을 밝히고 이를 원천적으로 해결하는 새로운 합성 공정법이 개발되었다.

이를 통해 해당 신소재는 역사상 최초로 열전성능지수 3.1이 넘는 초고성능 발전 성능을 보여, 열에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 효율이 20%를 넘는 세계 최고 기록을 나타냈다.

정인 서울대 교수는 “다결정 SnSe계 신소재가 초고성능 열전발전기술 상용화의 새로운 지평을 열었다.”고 강조했다.

한국연구재단의 나노·소재원천기술개발사업과 중견연구자사업이 지원한 이번 연구 결과는 ‘Nature Materials’ 8월 3일 자 온라인 최신 호에 실렸다.