김우철·손알로이시우스 교수팀, 고성능 열전 소재 개발

소재 구성의 준랜덤(quasi-random) 분포를 통해 열전 성능 지수 132% 증진

소재 분야 권위 있는 국제 학술지 ‘Nano Energy’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 김우철 교수, 손알로이시우스 교수]

공과대학 기계공학과 김우철 교수 연구팀과 신소재공학과 손알로이시우스 교수 연구팀은 소재 조성의 준랜덤 분포(quasi-random distribution)를 통해 향상된 열전 성능 지수를 보이는 고엔트로피 칼코파나이트 화합물을 합성함으로써 고성능 열전 소재 개발의 단초를 제공했다.

현존하는 에너지 변환 시스템은 폐열로 버려지는 에너지가 상당히 크다. 열전(thermoelectric, TE) 소재는 움직이는 부품이나 온실가스 배출 없이 열을 전기로 변환할 수 있어, 산업에서 발생되는 각종 폐열을 효율적으로 회수해 전력을 생산함으로써 에너지 관리 및 탄소 중립화에 있어 잠재된 가능성이 무궁무진하며, 안전성과 무소음성을 가진다는 장점이 있다. 열전 소재의 에너지 변환 효율은 ‘열전 성능 지수(zT)’에 의해 결정되는데, 현재 열전 소재는 열전 성능 지수가 낮아 실생활에서 이를 이용한 폐열 회수는 아직 드물다.

이에 본 연구진은 최근 열전 소재 연구 분야에서 각광받고 있는 고엔트로피 소재를 통해 열전 성능 지수를 획기적으로 향상시키는 방법을 고안했다. 연구진은 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn) 및 텔루륨(Te)를 조합해 소재 조성의 ‘준랜덤 분포(quasi-random distribution)’를 통해 엔트로피를 증가시킨 고엔트로피 칼코파나이트를 합성하는 데 성공했으며, 합성한 고엔트로피 소재에서 발견되는 독특한 나노구조체를 이용해 향상된 열전 성능을 선보였다. 

이 나노구조체는 구성 원자가 완전히 무작위로 분포된 것은 아니기 때문에 나노 규모의 무질서를 보여 준다. 이러한 균일하면서 무작위적인 ‘준랜덤 분포(quasi-random distribution)’는 높은 수준의 격자 변형을 유도해 열을 전달하는 포논 산란을 향상시킴으로써 열전도도를 감소시켜 열전 성능을 향상시키는 주요 원인이 된다. 본 연구에서 합성한 고엔트로피 칼코파나이트 화합물은 850K에서 열전 성능 지수(zT)가 약 1.56으로 측정돼 합성 전보다 약 132% 향상된 열전 성능을 보였으며, 이러한 결과는 최근 고엔트로피 소재에서 보고되는 열전 효율 향상의 방향성과 일치한다. 

[대표 그림]

김우철 교수는 “본 연구는 소재 조성의 균일하면서 무작위적인 분포(quasi-random distribution)를 통해 엔트로피를 증가시키는 개념을 강조했으며, 이는 고성능 열전 소재를 개발하는 데 있어 효과적으로 활용될 수 있다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 우리 대학교 Somnath Acharya 연구원, 김광래 연구원, 건설기계부품연구원 황준필 연구원이 공동 제1저자로, 김우철 교수, 손알로이시우스 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 소재 분야 권위 있는 국제 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy, IF 19.069)’에 5월 12일 온라인 출간됐으며, 오는 7월 중 월간지에 포함될 예정이다.

논문정보

●논문제목: Quasi-random distribution of distorted nanostructures enhances thermoelectric performance of high-entropy chalcopyrite

●논문주소: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108493