초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
1.0㎏/batch 규모급 평균 열전성능지수(ZT) 1.4 이상의 다결정 열전소재 및 이를 이용한 열전성능(Z) 3.4의 고효율 열전모듈 개발

□ 개발내용 및 결과
○ 고성능 다결정 열전소재 : 상용 단결정 소재와 비교하여 평균 열전성능지수(ZT) 1.4 이상을 갖는 고성능 열전소재 개발
- n형과 p형 열전소재의 ZTmax평균값 : 1.4
- 열전소재 n/p ZTmax 차이(%) : ±25
- 열전소재 성능 균일도(%) : 80
○ 파일롯급 다결정

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
1.0㎏/batch 규모급 평균 열전성능지수(ZT) 1.4 이상의 다결정 열전소재 및 이를 이용한 열전성능(Z) 3.4의 고효율 열전모듈 개발

□ 개발내용 및 결과
○ 고성능 다결정 열전소재 : 상용 단결정 소재와 비교하여 평균 열전성능지수(ZT) 1.4 이상을 갖는 고성능 열전소재 개발
- n형과 p형 열전소재의 ZTmax평균값 : 1.4
- 열전소재 n/p ZTmax 차이(%) : ±25
- 열전소재 성능 균일도(%) : 80
○ 파일롯급 다결정 열전소재 생산 : 1.0㎏/batch 이상 규모의 소재 생산과 개발소재에 대한 열전모듈 및 시스템 단위의 성능평가를 통해 소재 성능의 안정적 재현성 확보 및 생산규모의 scale-up 기술 개발
- 열전소재 굽힘강도(MPa) : 50
- 열전소재 생산량(kg/batch) : 1.0
- 열전성형체 생산량(kg/batch) : 0.5
○ 원가절감형 고효율 열전모듈 : 소재 제조공정 단순화 및 생산수율 향상을 위한 코팅층 일체형 열전소재의 직접 웨이퍼화 제조기술 개발
- 열전모듈 성능지수, Z(10^-3/K) : 2.86
- 열전모듈 단위냉각능(W/cm²) : 4.53
- 열전모듈 내구수명(10³cycle) : 100

□ 기술개발 배경
○ 열전재료를 이용하여 열을 전기로, 전기를 열로 상호 변환시키는 기능을 갖는 열전 소자에 대한 관심이 급속히 높아지고 있음. 특히 열전재료에 의한 에너지의 효율적인 재사용은 차세대의 대체에너지로 부각되고 있음.

○ 열전에너지 변환재료는 소형 국소냉각, 고신뢰성, 저소음, 저진동, 무냉매 고체냉각이 가능하기 때문에 친환경 냉각기술에 활용할 수 있음.

○ 나노구조화된 열전재료 물질에서는 기존의 벌크상 열전재료에서는 불가능한 열전변환효율(ZT) 값을 이루고 있는 제벡계수, 전기전도도, 열전도도를 각각 독립적으로 조절하여 높은 전기전도도, 제벡계수와 낮은 열전도도를 동시에 이루고자 하므로, 높은 변환효율(ZT) 값을 얻는 것이 가능할 것으로 예측됨.

○ 나노구조체/열전소재 복합체에서 양자구속 효과를 유도함으로써 파워팩터를 높이고 포논제어를 통해 열전도도를 감소시키는 전략은 열전 분야에서 매우 중요하며 세계 각국이 치열하게 경쟁하고 있기에 새로운 접근방법으로 고효율 연전변환재료를 개발하게 되면 이 분야 시장을 선점하고 세계적으로 연구를 선도할 수 있음.

○ 새로운 열전소재를 개발하는 것과 더불어 열전소재의 고효율화를 위해서는 나노구조화가 필수적으로 최근 벌크소재임에도 높은 열전성능지수를 갖는 열전소재에 대한 연구결과가 발표되고 있음.

○ 이러한 재료들에 나노구조화를 적용하면 고효율 열전소재를 개발할 수 있는데 열전물질의 나노구조화는 전기전도도의 감소 없이 포논을 산란시킴으로써 열전도도를 감소시키며, 양자구속 효과에 의한 제벡계수를 증가시키는 것으로 알려져 있음.

○ 열전변환효율(ZT)을 향상시키는 방법으로 우수한 특성을 가지는 열전소재 개발뿐만 아니라 열전소재를 활용한 열전모듈을 제조하는 공정개발도 중요함.

○ 모듈을 구성하는 각 소재의 구성과 이종 소재 간의 접합기술을 확보하는 것이 중요함. 특히 n/p형 열전소재를 연결시키는 전극소재의 선택과 열전소재와 전극 간의 접합이 열전모듈의 성능을 좌우하는 핵심기술임.

○ 열전소재와 전극 간의 접합 향상과 접촉 저항 감소에 따른 공정 단순화를 통하여 열전모듈의 성능 발현하고자 함.

□ 핵심개발 기술의 의의
○ 상온용 열전소재인 Bi-Te계 열전소재는 1950년 이후 약 반세기에 걸쳐 단결정 성장법, 주조법 등의 공정이 주로 사용되었으나, Bi-Te계 열전소재의 높은 취성 때문에 열전모듈의 설계가 제한되고, 열전물성(ZT < 1.0)이 낮아서 열전산업의 활성화를 가로막고 있는 상황임.

○ 열전소재의 취성을 극복하고, 미세조직 제어를 통한 열전물성 향상을 위하여 분말기술(분쇄+성형+소결)을 적용한 다양한 소재 기술이 제안되고 있음.

○ Bi-Te계 열전소재의 연구 방향은 전기적 물성을 제어하면서 열전도도를 감소시키기 위한 공정 기술들이 제안되고 있으며, 주로 열전소재의 나노화 및 미세입자 분산기술들이 적용되고 있음.

○ 단결정 열전소재의 기계적 취약성을 극복하기 위한 방안으로써, 분말 프로세스의 도입에 의한 다결정 잉곳의 제조 및 열전소재의 기계적 강도 향상 연구가 국내외에서 진행되고 있음.

○ 열전모듈은 수십~수백개의 열전소자들이 작은 기판 위에 동시에 실장되어 전기적으로 직렬 연결되는 층상형 구조를 특징으로 하고 있음.

○ 열전소재의 소자화 제조를 위해 열전잉곳을 슬라이싱/코팅/다이싱 등의 복잡한 후가공 공정을 거쳐 하나의 개별화된 칩 형태로 가공하게 되며, 이 과정에서 약 70%정도의 소재가 가공 슬러지로 폐기됨.

○ 고효율 열전모듈 제조를 위해서는 고성능 열전소재 연구와 함께, 열전모듈의 전기적·열적 흐름을 제어할 수 있는 열전모듈 해석 및 설계, 정밀한 제조기술 연구가 필요하지만, 전세계적으로 열전소재 연구와 비교하여 열전모듈에 대한 연구성과는 매우 미미한 상황임.

○ 열전모듈의 고효율화 및 대용량화를 위하여 기판과 전극, 전극과 소재 계면에서의 전기저항 및 열저항을 감소시킬 수 있는 재질 및 두께, 접합 및 평탄/내부 저항 제어 등의 공정기술 개발이 요구됨.

○ 고성능 Bi-Te계 다결정 열전소재 개발과 함께, 직접 웨이퍼 형태로 열전소재를 성형하여 제조하는 공정을 개발함으로써, 고성능 소재 개발 연구 성과의 확산 및 제품화 연구 기반을 확립하고 함.

□ 적용 분야
○ 열전 에너지 변환재료는 소형 국소 냉각, 고 신뢰성, 저소음, 저진동, 무냉매 고체냉각이 가능하기 때문에 친환경 냉각기술에 활용할 수 있음.

○ 폐열 발전에 의한 에너지 회수를 통해 에너지 효율화에 기여함과 아울러 독립전원에 이용할 수 있으며, 정밀 온도 제어가 필요한 최첨단 전자장비, 의료기기, 군사, 우주 항공 분야에서 폭넓게 활용될 수 있음..

○ 대체에너지 개발과 에너지 이용효율의 극대화 측면에서 나노기술을 이용한 열전재료는 향후 기존의 발전 기술을 대체할 차세대 발전 시스템으로써, 세계적으로 수십억 달러가 넘는 열전 관련 에너지 시장에서 주도적인 역할을 할 것으로 기대됨.

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 12
• 목차 ... 31
• 제 1 장 서론 ... 32
• 제 1 절 과제의 개요 ... 32
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 38
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 38
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 44
• 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 297
• 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 298
• 제 3 장 결과 ... 300
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 300
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 306
• 제 3 절 R&D 도전과 배움 ... 309
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 313
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 314
• 제 6 절 안전관리 이행 현황 ... 322
• 제 4 장 사업화 계획 ... 329
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 329
• 제 2 절 사업화 계획 ... 330
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 332
• 부 록 : 시험성적서, 도면, 설계도 등 ... 336
• 끝페이지 ... 357