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환경건설·산업 |
삼성전자, 버려지는 열을 전기로 변환하는 고효율 신소재 개발 황현남 |
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삼성전자 종합기술원은 열전성능을 획기적으로 향상시킨 新 열전 (熱電)소재인 인듐셀레나이드 (In4Se3-x)를 개발했다고 밝혔다.
이번 연구는 삼성전자가 재료 설계 및 주요 실험과 이론 연구를 주도하며 열전성능이 높은 재료 개발을, 성균관대에서 결정성장을, 포항공대와 미국 러트거스 (Rutgers) 대학에서 열전물성에 대해 검증하였고, 연구 결과를 인정받아 세계적인 과학잡지 네이처 (Nature)誌 본판과 온라인에 게재되었다.
열전성능이란 열을 전기로 변화시키는 성능으로 열전소재는 열과 전기의 상호 변환이 가능하게 만드는 소재로 자동차, 공장 등에서 폐열로 방출되는 열을 회수하여 전기를 생산하는 신재생 에너지의 한 분야인 열전발전에 응용할 수 있다.
그러나 지금까지는 열과 전기의변환 효율이 낮아 응용이 극히 제한적이었다.
새로 개발된 인듐셀레나이드 (In4Se3-x)는 에너지 변환 효율을 기존 7%에서 12%로 향상시킴으로써열전발전의 상용화 가능성을 앞당기고, 새로운 개념의 열전소재와 열전변환 메커니즘을 제시함으로써 고효율 열전 발전 신재료 개발에 이정표를 세웠다는 의미가 있다.
이번에 제시된 열전변환 메커니즘은 금속 전자의 움직임을 제한하면 금속이 반도체로 변하면서 금속 격자가 뒤틀리고 이로 인해 열전도도가 낮아져 열전성능이 높아지는 원리를 바탕으로 하고 있다.
기존 보고된 고효율의 열전소재는 대부분 박막 또는 나노와이어로 열전 발전을 위한 온도차 유지와 벌크 (덩어리)형태로 되어 있어 제조가 거의 불가능하여 실용화에 큰 제약이 있었다.
본 연구는 벌크형 소재에 대한 결과이며 높은 열전성능을 갖는 신재료를 금속간 화합물로 쉽게 제조가 가능해 신 열전소재 개발에 돌파구를 연 것으로 평가된다.
향후 동일한 개념을 이용한 열전소재의 개발이 주요한 연구 방향으로 정립될 것으로 기대되며 삼성전자는 관련 물질 특허를 확보한 상태이며 또한 개발 메커니즘에 대한 원천 특허를 확보했다.
현재 자동차 등에서 60% 이상의 에너지가 열로 방출되어 활용되지 않고 있다. 열전발전은 버려지는 폐열을 회수해 발전하므로 에너지 사용 효율을 증대시킬 뿐 아니라 부산물이 없어 온실가스 절감효과를 수반한다.
열전소재의 주 응용분야는 고온의 하이브리드 자동차의 보조전력, 내연 기관 및 산업용 폐열 발전, 열병합 발전소의 저온발전, 소각로 및 전기로 폐열 발전, 전자기기 발열부 발전, 체내 (體內) 의료용 전원, 군사용 독립 전원기기, 항공우주용 핵발전 등 열이 발생하는 모든 분야에 응용할 수 있고 주로 버리는 열을 전기로 전환하는데 사용된다.
삼성전자는 앞으로 열전특성의 증대와 시스템화 및 내구성과 소재 안정성 등의 물성 최적화를 통해 상용화를 위한 재료 확보에 집중하고 이번에 규명된 원리를 기반으로 지속적인 신물질 개발에 매진할 계획이라고 밝혔다.
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