“얇지만 고성능”… 초박막형 열전소재 제작법 개발

	▲ 유리 기판 위에 얇게 올려진 주석-셀레나이드. 육안으로 봐도 결함 없이 매끈한 것을 확인할 수 있다. (UNIST 제공)

	▲ 고성능 초박막 열전소재를 개발한 UNIST 연구진. 왼쪽부터 조승기 연구원, 손재성 교수, 허승회 연구원. (UNIST 제공)

울산과학기술원(UNIST)이 열을 전기로 바꾸는 ‘열전 기술’에 기여할 소재를 개발했는데, 구부러진 표면에 붙일 정도로 얇은데다 성능까지 높여 주목받고 있다.

20일 UNIST에 따르면 신소재공학부 손재성 교수팀은 한국표준과학연구원 신호선 박사팀과 공동으로 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’의 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만드는 데 성공했다. 이번에 개발한 공정은 재료를 용액에 녹여 열전 잉크로 합성한 뒤 가열하는 용액공정 방식인데, 간단하면서도 저렴하다는 장점이 있다. 성능 또한 기존 덩어리(bulk) 형태 소재에 뒤지지 않아 다양한 분야로 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

열전소재는 소재 양쪽에서 나타나는 온도 차이를 이용해 전기를 발생시킬 수 있는 물질로 열전발전기를 만들고, 자동차나 선박 엔진 등에 부착하면 전기를 생산할 수 있다.

2014년 처음 보고된 주석-셀레나이드는 1~2위의 성능을 자랑할 만큼 촉망받는 열전소재지만, 이 물질의 결정 구조를 제어하기 어려워 기대만큼 우수한 열전 효율을 얻지는 못했다.

연구진은 주석-셀레나이드를 특정한 방향으로 성장시킬 2단계 공정을 개발했다. 1단계 공정에서 ‘주석 다이셀레나이드(SnSe₂)’ 박막을 만들고, 2단계 공정에서 열처리해 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’박막을 만드는 방식이다. ‘주석-다이셀레나이드’가 특정한 방향으로 잘 성장하는 원소의 일종이라는 점에 주목한 것이다. 주석-다이셀레나이드를 가열하면 셀레늄(Se) 원자가 증발하면서 주석-셀레나이드가 되는데, 셀레늄주석-다이셀레나이드 결정이 이정표가 되면서 주석-셀라나이드 결정 구조도 가지런히 정렬되는 원리다.

연구진은 이같은 방식으로 제작된 주석-셀레나이드 박막이 기존 연구에 비해 전기적 특성이 10배 이상 우수한 점을 발견했다. 단결정으로 성장시킨 덩어리 형태의 주석-셀레나이드 소재와 견줄 정도로도 높은 성능 보였다고 밝혔다.

손재성 교수는 “원재료에 상당한 고온 고압을 가하는 기존 방법은 생산비가 비쌀 뿐 아니라 원하는 방향으로 결정을 성장시키기 어려워 성능 확보가 어려웠다”면서 “이번 기술은 간편하고 효율적일 뿐 아니라 주석-셀레나이드의 결정 방향까지 제어할 수 있어 앞으로 폭넓게 응용될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 20일 온라인판에 발표됐다.

서울대 이원보 교수, 기개연 부설 재료연 강전연 박사, 금오공대 박노진 교수, 한양대 장재영 교수팀도 이 논문에 참여했다.

연구는 한국표준과학연구원의 저차원 소재게놈 제어평가기술 개발 사업, 과학정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재원천기술개발사업 도전형소재기?개발프로그램 및 신진연구자사업의 지원을 받아 이뤄졌다.