경희대 이종수 교수, n-type 열전소재 공동 개발

경희대학교 이종수 교수와 독일 라이프니츠연구소 이민호 박사 연구팀이 한국전기연구원, 라이프니츠연구소와의 공동연구를 통해 530℃ 작동 조건에서 에너지 변환 효율 20% 수준의 n-type 열전소재를 개발했다.

열전소재는 열을 전기로 변환하는 열전발전과 물체의 열을 식혀주는 열전냉각 등에 이용되는 물질이며, 친환경 에너지 변환소재로 각광받고 있다.


또한 n-type 소재는 전하가 정공인 p-type 소재와 접합해 우주 탐사선 발전기, 자동차 배기열 발전 등에 사용되는 ‘열전모듈’이 된다.

기존의 열전모듈은 응용에 큰 제약이 있었다. 성능이 최대가 되기 위해선 p-type과 n-type 소재 열전성능지수(ZT)가 비슷하게 높아야 하는데, p-type 소재에서는 열전성능지수 2.0 이상인 경우가 다수 있었지만 기존 n-type 소재 열전성능지수는 1.8 정도였기 때문이다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 '선택적 앤더슨 상전이'라는 물리 개념을 창안했다. '앤더슨 상전이'란 무작위적인 불순물이 있을 때 양자역학적 현상으로 전하가 흐르지 못하고 제자리에 정지되는 현상이다.


연구팀은 이러한 현상을 응용해 정공은 정지시키고 전자만 통과하거나, 전자를 정지시키고 정공만 통과시킬 수 있도록 한 것이다.

이종수 교수·이민호 박사 연구팀이 새로 개발한 n-type 열전소재의 열전성능지수(ZT)는 2.0 이상이며, 에너지 변환 효율도 기존의 16.5%보다 훨씬 높은 20% 수준으로 세계 최고 변환 효율이다.

이 교수는 "그동안 열전모듈 응용에 걸림돌이었던 n-type 소재 고효율화를 달성했고, 이를 가능하게 하는 새로운 물리 현상을 창안했다"며 "에너지 효율화에 기여할 수 있는 열전소재 활용성과 열전 신소재개발 방향성을 제시했다는데 의의가 있다"고 말했다.