초록 ▼

3. 개발결과 요약

최종목표
[개발 최종목표]
- 비희유(클라크넘버 하위 40위 배제) Half-Heusler 합금 기반 열전발전 소재 개발
- 원천소재특허 확보 전제 열전성능지수 ZT ≥ 0.5 신물질 개발
[개발기술의 정량 목표]
- 열전소재 성능지수 최대 값 ZT ≥ 0.5
- 열전소재 파워팩터 ≥ 1 mW/m-K2
- 열전소재 강도 ≥ 100 MPa
- 열전소재 열 안정성 (최대 ZT 온도에서 100시간 유지 후 파워팩터 저하) 5 % 이하
- 신물질 합성 조성 수

3. 개발결과 요약

최종목표
[개발 최종목표]
- 비희유(클라크넘버 하위 40위 배제) Half-Heusler 합금 기반 열전발전 소재 개발
- 원천소재특허 확보 전제 열전성능지수 ZT ≥ 0.5 신물질 개발
[개발기술의 정량 목표]
- 열전소재 성능지수 최대 값 ZT ≥ 0.5
- 열전소재 파워팩터 ≥ 1 mW/m-K2
- 열전소재 강도 ≥ 100 MPa
- 열전소재 열 안정성 (최대 ZT 온도에서 100시간 유지 후 파워팩터 저하) 5 % 이하
- 신물질 합성 조성 수 ≥ 300
- 열전소재 원료가격 500 $/kg 이하

개발내용 및 결과
1. high-throughput material screening tool을 통한
- Half-Heusler 합금 전수 합성하여 신물질 합성 조성 수 248종 총 483개의 샘플에 해당하는 신물질을 합성하였음
- 합성된 신물질 PXRD를 사용하여 전수 분석 하였으며, 최종목표달성 신물질 및 특정 조성의 구조가 Half-Heusler계에 해당하는 것을 확인함
2. 열전소재 파워팩터 (mW/m-K²) 1.0 이상, ZT 0.5 이상 달성
- 목표를 달성한 조성은 Ti₂Fe_0.85Co_0.075NiSb₂으로 목표하는 중고온에서 최대 1.1738의 파워팩터 및 0.569의 ZT값을 확보하였으며 이는 최종 목표를 초과한 수치임
3. 목표성능 구현 Half-Heusler계 열전 신물질 기계적 강도
- 열전성능분석을 바탕으로 성능우수후보군에 대한 기계적 강도측정을 진행 하였으며, p형 Ti₂FeNiSb₂ 및 n형 Ti₂FeNiSb₂에서 각각 평균 111.5, 122.7 Mpa 의 목표를 초과하는 기계적강도를 화인하였음
4. 목표성능 구현 Half-Heusler계 열전 신물질 열적 안정성
- 열전성능분석을 바탕으로 성능우수후보군에 대한 열적 안정성 평가를 진행 하였음. 최대 ZT값을 나타내는 온도에서 100시간동안 p형 Ti₂FeNiSb₂ 및 n형 Ti₂FeNiSb₂ 는 각각 최대 2.2%, 2.5 %의 파워 팩터 변화량을 나타내었음
5. 목표성능 구현 Half-Heusler계 열전 신물질 원료가격
- ($500/kg 이하) - 목표성능 구현 Half-Heusler계 열전 신물질의 개발 완료시점 (2020년 11월) 의 구성 원료 금속에 대한 가격을 산출 하였으며, n형 TiFe_0.925Co_0.075NiSb₂ 조성은 $20/kg, p형 Ti₂FeNi_0.9Ag_0.1Sb₂ 조성은 $45.6/kg의 가격으로 기존의 열전물질보다 높은 경제성을 지님

기술개발 배경
- Skutterudite계 소재는 성능, Silicide계 소재는 가격, half-Heusler계 소재는 신뢰성 측면에서 비교우위를 나타내고 있으며, 상기 개발 소재의 조성제어, 나노구조화, 복합구조화 등의 전략으로 단점을 개선하려는 연구가 활발하게 진행되고 있음
- 중고온용 소재 중 Sn-Se, Cu-Se, In-Se 등 최근 개발된 신 물질은 ZT = 2 수준의 매우 높은 성능을 나타내고 있으나, 고가 희유원소를 포함하기 때문에 경제성 확보가 어렵고, 특히 열전발전 시스템이 구동되는 중고온에서 열적·기계적 신뢰성이 낮아 상용화에 대한 경제적·기술적 장벽이 있음
- 상기 개발된 half-Heusler계 소재는 Hf 등 고가 희유원소를 포함하고 있어 상용화 경제성 확보를 위해서는 근본적으로 희유원소를 포함하지 않는 저가-고성능 신물질 개발이 필수적임
- Half-Heusler계 소재는 Skutterudite계 소재 및 Silicide계 소재와 달리 합성 가능한 후보 소재군이 방대하며, 신물질 개발 시 소재에 대한 원천특허 확보를 담보할 수 있음
- 최근 미국, 중국, 일본을 중심으로 half-Heusler계 신물질 개발에 대한 공격적인 연구가 진행 중으로 국내에서도 원천소재 확보를 위한 연구개발이 시급함

핵심개발 기술의 의의
- 본 과제는 상용소재 개발이 아닌 다음 단계의 상용소재 개발 연구를 위한 브리지 기술인 Seed 신물질 개발을 목표로 함
- 따라서 소재 자체를 단기간에 상용화하는 것은 어렵겠으나, 신물질의 원천특허 확보가 가능하여 과제 종료 후 개발소재를 이용한 상용화를 추진하는 기업 등으로 부터 신물질 활용에 대한 로열티 수입이 가능함
- 실질적인 사업화는 고성능 소재 개발 및 모듈화 기술이 완성되는 2023년 이후부터 가능할 것으로 예상되며, 높은 신뢰성을 담보하는 소재 및 모듈 기술 확립으로 구동 조건이 매우 가혹한 차량열전발전을 핵심 기술이 될 것임
- 차량열전발전에 적용될 경우 시스템 기준 약 50조원, 모듈 기준 약 15조원의 신 시장 창출이 기대됨. (500W급 시스템, 발전단가 $1/W를 가정)

적용 분야
- 해당 과제에서 개발된 Half-Heusler 계 신물질은 차량용 열전발전 등 고성능 및 높은 신뢰성이 요구되는 응용분야에 대한 기술 경쟁력을 제공할 수 있어 관련 기업과의 제품 개발 또는 기술이전이 가능함
- 특히 열전소재 및 발전모듈화 소재에 관한 개발이 진행 되고 있으며 본 연구의 개발 신물질이 고 신뢰성 및 고 성능 모듈 및 소재에 적용 될 것으로 기대 됨

(출처 : 초록 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 9
• 목차 ... 13
• 제1장 서론 ... 14
• 제1절 기술개발의 필요성과 관련 현황 ... 14
• 제2장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 18
• 제1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 18
• 제2절 단계 목표 및 평가 방법 ... 20
• 제3절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 21
• 제4절 수행 결과의 보안등급 ... 27
• 제5절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 27
• 제3장 결과 ... 28
• 제1절 연구개발 최종 결과 ... 28
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 28
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 29
• 제2절 연구개발 추진체계 ... 88
• 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 88
• 제3절 R&D 도전과 배움 ... 89
• 1. 사업계획 수립 단계 ... 89
• 2. 과제수행 단계 ... 89
• 3. 사업화 준비 단계 ... 89
• 제4절 고용 창출 효과 ... 89
• 제5절 자체보안관리진단표 ... 90
• 제6절 안전관리 이행 현황 ... 92
• 1. 연구시설/장비 보유 현황 및 연구실(연구시설·장비(시제품 포함)) 안전 조치 이행현황 ... 92
• 제4장 사업화 계획 ... 95
• 제1절 시장 현황 및 전망 ... 95
• 제2절 사업화 계획 ... 98
• 제3절 향후 추가 기술 개발 계획 (개발기술 응용 등) ... 98
• 끝페이지 ... 99