[쿠키과학] 화학연, 웨어러블·폐열 발전용 '저온·상압 고성능 열전소재' 개발

350℃ 저온·상압 공정으로 고밀도 구현 제조비 절감
액상소결로 치밀 구조 형성, 전기전도↑·열전도↓
산업 폐열·데이터센터·IoT, 차세대 에너지 회수 기술 기대

승인 2026-04-01 13:32:17

관심 있는 쿠키뉴스 기사를 Google 검색에서 더 쉽게 만나보세요.

한국화학연구원(이하 화학연) 강영훈 박사팀이 기존보다 낮은 온도·압력 조건에서 ‘은 셀레나이드(Ag2Se)’ 기반 친환경 고성능 열전소재를 개발했다.

이 기술은 산업 폐열 관리와 웨어러블 전력 등 차세대 에너지 회수 기술에 활용할 것으로 기대된다.

열과 전기를 서로 변환하는 열전소재는 전자기기 냉각이나 버려지는 열로 전력을 생산할 수 있다.

열전소재는 온도 차이로 발전을 하는 제백(Seebeck) 효과와 전기로 소재 양면을 냉각 또는 가열하는 펠티어(Peltier) 효과로 구분된다.

현재 상용화된 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3) 계열 소재는 텔루륨 같은 희귀원소의 가격 변동성이 크고 독성이 강하다는 단점이 있다.

연구팀은 매장량이 풍부한 은과 셀레늄을 활용해 재료를 단순화하는 데 주목했다.

이에 따라 수용액 공정으로 은 셀레나이드 나노입자를 합성 후 셀레늄을 첨가한 새로운 조성 ‘Ag2Se_1.2’을 설계하고, 간단한 열처리 공정으로 고밀도 열전소재를 제작했다.

이 기술은 셀레늄이 비교적 낮은 온도에서 액체로 변하는 특성을 활용한 액상 소결을 활용해 열처리 과정에서 액체가 된 셀레늄이 은 셀레나이드 나노입자 사이로 스며들어 빈 공간을 채우고 입자를 결합하는 게 핵심이다.

친환경적이고 경제적인 ‘은 셀레나이드 열전소재’ 저온·상압 대량 제조기술. 한국화학연구원

이 과정이 젖은 모래로 성을 쌓듯 조밀하고 치밀한 구조를 형성해 전기는 잘 흐르게 하면서도 열전도율은 억제, 발전 효율을 높인다.

실험 결과 새로 개발한 n형 은 셀레나이드계 소재는 120도(393K)에서 열전 성능지수(zT) 0.927을 기록했다.

이는 상용 소재인 비스무스 텔루라이드의 성능 지수 1.0에 근접한 수준이다. 기계적 강도도 기존 소재보다 압축 강도와 탄성률이 2배 이상 향상해 복잡한 형태의 제품에도 맞춤 제작할 수 있다.

특히 이 기술은 최대 1000℃의 고온 공정이나 고압 소결 장비 없이 350℃의 낮은 온도와 상압에서 열처리만으로 제조가 가능하다.
이는 공정 단순화와 제조 비용 절감을 실현할 수 있는 조건이다.

실제 연구팀은 배관 형태의 곡면 열원에 밀착할 수 있는 링 형상 열전 소자를 특별한 장비 없이 대면적 벌크 소재로 제조할 수 있음을 입증했다.

이번 성과는 산업공정의 폐열이나 데이터센터, 태양열 발전 등에서 발생하는 열을 전기로 바꾸는 소형 발전 시스템에 활용할 수 있을 전망이다.

아울러 체온을 활용하는 웨어러블 사물인터넷(IoT) 기기, 헬스케어 센서의 보조 전원으로 적용 가능하다.

연구팀은 2030년 이후 상용화를 목표로 후속 연구를 진행 중이다.

이번 연구는 화학연 박병욱 선임연구원이 제1저자로, 강영훈·한미정 책임연구원이 교신저자로 참여했고, 연구결과는 지난 1월 국제학술지 ‘어드밴스드 컴포지트 앤 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)’에 게재됐다.
(논문명: 고성능 열전 재료로서 고밀도 벌크 Ag₂Se 를 제조하기 위한 간편하고 확장 가능한 전략(Facile and scalable strategy for fabricating dense bulk Ag2Se as a high-performance thermoelectric material))