KIST 연구팀, 열전반도체 효율성 높일 소재기술 개발

최태우 / 기사승인 : 2019-07-16 12:38:41
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폐열·가열로 전력생산 가능해 전력원으로 주목, 나노박막증착기술 이용
KIST 연구팀이 열전재료로 제작한 열전소자 [사진=KIST]

[IT비즈뉴스 최태우 기자] 냉각·가열기능을 구현하면서 주변의 온도차를 이용해 전력을 생산하는 열전반도체 기술이 주목받고 있다. 버려지는 폐열을 수거하면서 지속가능한 발전 에너지기술로 주목받고 있으나 국내 연구진이 열전소재의 성능을 높일 수 있는 기술을 개발해 주목된다.


주변의 열을 이용한 열전 발전 기술은 부가적인 장치 없이 전기를 생산 할 수 있어 신뢰성 있는 전력원으로 주목받고 있다. 이와 같은 특성을 활용한 열전반도체는 냉온정수기, 냉장고는 물론 최근에는 웨어러블 디바이스의 자가전력원으로 관심을 끌고 있다.


시장조사업체인 테크나비오에 따르면 전세계 열전반도체시장 규모는 2017년 기준 약 4억7155만달러에 달하고 2020년에는 약 6억2673만달러를 형성할 것으로 보여 시장성도 밝다.


16일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면, 전자재료연구단 김성근·김진상 박사 연구팀은 상온에서 높은 열전변환계수(효율)를 갖춘 기존의 분말 형태의 열전반도체 ‘비스무스-텔루라이드(Bi-Te)’ 소재에 반도체 나노공정인 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)을 접목시켜 새로운 열전소재 개발에 성공했다.


원자층 증착법은 웨이퍼 표면에 분자의 흡착-치환을 번갈아 진행하면서 원자층 두께의 초미세 층간 증착이 가능하고 산화물과 금속박막을 최대한 얇게 쌓을 수 있는 기술이다. 즉 단원자 층의 특성을 이용해 대량의 분말재료에 코팅을 균일하게 하는 나노박막증착기술이다.


연구팀은 수 나노미터 두께의 얇은 산화 아연층을 증착하면서 열전소재의 성능을 기존 대비 50% 이상 향상됐음을 확인했다고 설명했다. 기존의 분말 타입의 열전재료 제조공정에 적용이 유리하다는 장점도 있다.


연구팀은 열전소재의 성능 향상과 양산 부문에서도 널리 쓰일 것으로 기대하고 있다. 현재 사용되는 소재의 발전효율이 낮은 단점과 대량 양산으로 인한 생산성 확보에도 기여할 것으로 기대하고 있다. 또 실용화를 위해 산업화된 열전소재를 대량 생산공정에 적용하는 스케일업 연구도 진행할 예정이다.


KIST 김성근 박사는 “이번 성과는 실제 양산에서 이용되는 반도체 공정을 접목해 양산 가능한 나노 기술로 열전 성능을 향상시켰다는 점에서 의의가 있다. 앞으로 열전반도체 소재 개발에 있어 중요한 계기가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.


해당 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행됐다. 연구결과는 나노소재 분야 저널인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.903, JCR : 5.74%) 최신호에 게재됐다.


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