연세대 이우영 교수팀, 전기 통하고 열 줄인 신소재 개발

국내 연구진이 다른 장치 없이 열을 전기로 바꿀 수 있는 획기적인 신소재 개발에 성공했다. 용광로 등 산업현장에서 발생하는 ‘폐열’을 전기로 전환하거나 체온을 이용해 휴대전화를 충전하는 등 발전 가능성이 큰 연구로 평가된다.

이우영 연세대 신소재공학과 교수팀은 9일 “단면의 지름이 수㎚(나노미터:10억분의 1ｍ)에 불과한 나노선을 독창적인 방법으로 만들어 열전현상을 실험한 결과, 전기는 잘 통하면서 열 전달은 차단할 수 있다는 사실을 확인했다.”고 밝혔다. 이 연구 결과는 재료과학 분야 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 표지논문으로 게재됐다. 열전효과는 온도가 다른 접점 사이에 전류가 흐르는 제베크 효과와 전류가 흐르면 온도차가 생기는 펠티에 효과를 통칭하는 말로, 컴퓨터 등 전자기기를 사용하면 열이 발생하는 예가 대표적이다.

열전현상으로 전기를 생산하기 위해서는 전기는 지속적으로 전달되면서 열은 차단시켜 온도차를 오래 유지하는 것이 필수적이다. 그러나 전기와 열의 전달은 전자와 에너지 양자(포논)를 통해 동시에 이뤄지기 때문에 어느 한 가지만 이동을 멈추는 것이 쉽지 않다. 연구팀은 실리콘(Si)에 비스무스(Bi)를 덮은 필름 양끝에 압력을 가하는 방식으로 비스무스 나노선을 생성했다. 이어 나노선의 겉을 다시 텔루륨(Te)으로 덧씌워서 ‘코어셸’ 나노선을 만들었다. 그 결과, 전자는 비스무스를 타고 구리선의 100배가 넘는 속도로 이동한 반면 포논은 비스무스와 텔루륨의 거친 경계면에 부딪혀 대부분 차단됐다. 측정 결과 기존 재료에 비해 열 전달률이 25~50분의 1 수준에 그쳤다.

이 교수는 “코어셸 나노선의 효율을 좀 더 높인 뒤 다발 형태로 만들어 상용화하면 체온으로 휴대전화를 충전하거나 자동차 냉각수의 열을 이용해 냉난방을 하는 것도 가능할 것”이라고 전망했다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr