나노구조화에서 실리콘의 열전변화효율을 3배 이상 향상

오사카대학 대학원 공학연구과 연구팀은 큐슈공업대학, 오사카부립대학과 공동으로 실리콘을 나노구조화함으로써 실리콘이 가진 열전변화효율을 3배 이상 향상시키는 데 성공하였다. 이것에 의해 다양한 장소에서 다량으로 존재하는 폐열을 회수하여 고품질의 전기에너지로서 재활용할 수 있는 열전변환기술의 실용화가 기대된다.

기존 열전변환재료는 텔루르와 납으로 유독하고 희소한 원소로 구성되어 있으며, 이것이 열전발전의 실용화에 장벽이 되고 있다. 한편 실리콘은 무독으로 자원량도 풍부하다는 이점이 있지만, 열전도율이 높기 때문에 지금까지 그 열전변환 효율은 좋지 않았다. 재료를 나노구조화함으로써 전기적 성질에는 영향을 미치지 않으며, 열전도율을 저감할 수 있다는 것을 이론상 알게 되었다. 이번에 극히 간단하고 재현성이 높은 방법으로 나노구조화된 벌크상의 실리콘을 제작하는데 성공하였으며, 그 결과 실리콘 열전변환 효율이 3배 이상 향상되었다.

열전발전기술은 소형, 경량, 고신뢰성, 유지관리 용이 등과 같은 특징 때문에 지금까지는 주로 혹성탐사기에 탑재된 원자력전지의 전원으로서 이용되어 왔다. 이번에 독성이 없으며 자원량도 풍부한 실리콘으로 열전변환 효율이 대폭 향상되었다. 이것은 여러 가지 장소에서 다량으로 버려지는 저품질의 열에너지를 회수하여 고품질의 전기에너지로서 재이용하는 기술(즉, 열전발전기술)의 실용화를 가속시키는 것이다. 구체적으로는 공장과 쓰레기 소각시설에서 배열을 이용한 직접 발전시스템과 자동차의 연비향상을 위한 배열회생시스템 등으로 응용할 수 있다.

열전변환 재료에서는 고체의 제베크 효과를 이용하여 온도차로 직접 전력을 만들어 낸다. 열전변환 재료에서는 재료 중에 효과적으로 온도차를 만들기 위하여 재료 자신의 열전도율은 낮을수록 좋으며, 한편으로 발생한 전기를 높은 효율로 만들어 내기 위해서 재료 자신의 전기전도율은 높을수록 좋다. 따라서 열전변환 재료의 고효율화를 위해서는 열은 통하지 않으나 전기는 잘 통하는 모순된 상황을 재료 속에서 만들어 낼 필요가 있다.

기존에 대표적인 열전변환 재료는 Bi2Te3과 PbTe이다. 이들은 높은 열전변환 성능지수(zT = 0.8~1정도)를 나타내지만, 구성원소인 텔루르(Te)의 독성과 희소성, 납(Pb)의 독성, 비스무트(Bi)의 자원편재성이 문제가 되고 있다. 열전발전기술의 광범위한 산업화를 위해서는 독성이 없으며 자원량이 풍부한 원소로 구성된 고효율 열전변환 재료의 개발이 요구된다.

실리콘(Si)은 대표적 환경조화형 원소이며, 독성이 낮으며, 자원량이 풍부하다. 또한 유통량이 많고 저가격에 고품질의 재료가 입수 가능하다는 이점을 가지고 있다. 그러나 실리콘의 열전도율은 실온에서 150Wm-1K-1정도이며, 이것은 기존 열전변환 재료인 Bi2Te3의 열전도율의 약 100배에 상당한다. 이 높은 열전도율 때문에 지금까지 실리콘 zT는 최대에도 0.2정도가 된다.

본 연구의 최대 발견은 극히 간단하고 재현성이 높은 방법으로 벌크상(즉, 어느 정도 크기를 갖는 괴상)의 실리콘 내부에 균일하게 나노크기의 석출물을 창출하는 방법을 발견했다는 점에 있다. 이 석출물이 재료 중에 전기를 전달하는 전자는 산란하지 않고 열을 전달하는 포논(phonon)만을 산람함으로써 열전변환 성능지수 zT의 대폭적 향상을 달성하였다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 나노구조화에서 실리콘의 열전변화효율을 3배 이상 향상