연세대학교(총장 윤동섭) 기계공학과 김우철 교수팀은 자동차와 발전소, 산업설비, 전자기기 등에서 발생하는 막대한 폐열을 전기에너지로 바꾸는 차세대 열전소재 기술을 개발했다. 이번 연구는 기존 열전소재의 성능 한계를 극복할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시해 미래 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)과 친환경 전력 생산 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 친환경 열전소재인 셀레늄화주석(SnSe)에 망간(Mn)을 3% 첨가해 전기 흐름은 향상시키고 열전달은 효과적으로 억제하는 데 성공했다. 그 결과 열전소재 성능을 나타내는 열전성능지수(zT)가 최고 2.3에 달해, 세계 최고 수준의 다결정 SnSe 기반 열전소재 성능을 달성했다.

열전소재는 온도 차이를 이용해 전기를 직접 생산하는 기술로, 별도의 연료나 회전 장치 없이도 전력을 생산할 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 전기가 잘 흐르면 열도 함께 잘 전달되는 특성 때문에 두 성능을 동시에 향상시키기 어려운 것이 가장 큰 기술적 난제로 꼽혀 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 소재 내부에 약 5~10나노미터(nm) 크기의 MnSe 자성 나노입자를 형성했다. 이 나노입자는 초상자성(superparamagnetism)을 나타내며 전자의 이동을 효과적으로 제어해 전기전도도를 높이는 동시에 높은 열전효율을 유지하는 역할을 수행했다.

또한 일부 망간 원자는 SnSe 결정구조에 직접 치환돼 원자 간 결합을 약화시키고, 열을 전달하는 격자 진동(포논)의 이동을 감소시키는 '격자 연화(lattice softening)' 현상을 유도했다. 그 결과 열전도도는 기존 소재보다 약 31% 감소해 열이 빠져나가는 것을 효과적으로 억제했다.

이번 연구는 특정 소재의 성능 향상을 넘어 '자성'과 '격자공학'을 융합한 새로운 열전소재 설계 개념을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 이 기술이 다양한 열전소재에도 적용될 수 있으며, 산업공정과 자동차, 발전설비, 반도체 및 전자기기 등에서 버려지는 폐열을 회수해 전기에너지로 활용하는 에너지 하베스팅 기술과 무선전력전송(Wireless Power Transfer) 융합기술의 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

이번 연구는 연세대 기계공학과 쏨나트 아차리아(Somnath Acharya) 연구교수가 제1저자 및 교신저자로, 김우철 교수가 교신저자로 참여했으며, 이화여대, 경희대, 포항공대, 한국건설기계연구원 연구진이 공동으로 수행했다. 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐으며, 재료과학 분야 세계적 학술지 Advanced Functional Materials(JCR 상위 5% 이내 저널, Impact Factor 19.9)에 게재됐다.