초록 ▼

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 중온 폐열활용 열전발전을 위한 Non-Telluride계 열전소재의 Pilot scale 기술 및 열전발전 모듈 개발

□ 개발내용 및 결과
○ Skutterudite계 열전소재 제조 기술 개발
① N형 및 P형 소재의 조성 제어를 통한 성능 향상
② 소재의 조성 제어 및 filler 함량 제어를 통한 고성능화 달성
- 평균열전성능지수 (ZT_avg) > 1.1
③ 소결체 Scale up 공정을 통한 소결체 생산량 확보 및 성능 균

3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 중온 폐열활용 열전발전을 위한 Non-Telluride계 열전소재의 Pilot scale 기술 및 열전발전 모듈 개발

□ 개발내용 및 결과
○ Skutterudite계 열전소재 제조 기술 개발
① N형 및 P형 소재의 조성 제어를 통한 성능 향상
② 소재의 조성 제어 및 filler 함량 제어를 통한 고성능화 달성
- 평균열전성능지수 (ZT_avg) > 1.1
③ 소결체 Scale up 공정을 통한 소결체 생산량 확보 및 성능 균일도 확보
- 소결체 ≧ 5kg, 균일도 ≦ 15%

○ Silicide계 열전소재 제조 기술 개발
① 상형성 거동 제어 및 소재의 결정배형성 제어를 위해 SSR과 병행하여 Melt-Solidification 기반 원료소재 합성 공정 확립
② 모듈화를 위한 안정상 형성 소결체 제조를 위한 SPS, Hot Pressing(HP) 기반의 소결체 제조 공정 확립
③ 소재의 성능 최적화로 인한 성능 향상
- 열전소재 평균 성능 (PF/밀도_ave) : 12. μW·cm²/g·K² ↑

○ Half-Heusler계 열전소재 제조 기술 개발
① 소재에 대한 조성제어 rule 확립을 통한 성능 향상
② spark plasma sintering 기반 소결체 제조 공정을 확립
③ Half-Heusler계 열전소재 성능 확보
- 평균 파워팩터 (PF_avg) = 45μW/cm·K²

○ Non-Telluride계 열전소재를 이용한 열전발전모듈 제조기술 개발
① Skutterudite계 열전발전모듈 요소공정기술 확보
- 발전모듈 유효 면적 출력 달성 : 1.3W/cm² ↑
- 발전모듈 단위 면적 저항 달성 : 16mΩ/cm² ↓
- 발전모듈 전체 저항 : 18mΩ
② Skuttterudite계 열전발전모듈의 목표 성능 달성
- 최대출력밀도 : 1.0W/cm² ↑
- 최대발전효율 : 8% ↑

○ 열전발전모듈 패키징 제작 및 기밀도 달성
① 열전발전모듈을 넣은 패키징의 기밀도 목표 달성
- 기밀도 : 1*10^-8 ↓

□ 기술개발 배경
○ 현재 열전냉각 및 발전 분야를 통한 열전산업의 활성화로 인하여 열전소재의 시장규모 역시 급격히 증가하고 있음. 하지만의 모든 열전냉각소재는 Bi₂Te₃계 소재이며, 중온용 열전발전소재 역시 Telluride계 열전소재에 집중되어 있는 문제점을 가지고 있음 → Te 소재 의존도가 매우 높음

○ 열전소재의 핵심 원료소재인 Te는 희소금속으로써, 금속 제련의 부산물로 소량 생산되어 고가일 뿐만 아니라 태양전지 반도체 산업에서도 폭넓게 사용되고 있으며, 또한 중국과 북미에 매장량이 편중되어 있음 → 가격의 투기적 변동성이 큼.

○ 현재 중온 발전용의 소재로서 Pb-Te계 소재를 위주로 한 과제가 국내‧외에서 진행되고 있으나, Te은 물론 Pb를 원료로 하는 연구는 ‘친환경 기술’이라는 열전발전 원래의 취지에 역행하는 기술임.

○ 자동차, 선박 및 산업 현장의 광대역 폐열을 전기에너지로 재생하기 위해서는 중온용 열전소재 및 모듈화 기술 개발이 필수이며, 중온 영역에서 Non-Telluride계 열전소재의 특성이 높게 나오는 Skutterudite계, Half-Heusler계 및 Silicide계 열전소재 및 모듈 개발이 필요함.

○ 현재 저온용 모듈에 대한 기반 기술은 상당히 개발되어온 반면, 중․고온용 모듈의 제작 기술은 아직 러시아, 일본, 미국과 같은 세계적인 수준을 따라가지 못하고 있음.

○ 미국과 일본은 환경에너지소재 8개 분야의 공동연구 협력분야 중에 열전변환기술을 포함시켜, 정부 차원의 막대한 지원을 기반으로 하여 활발한 연구를 추진하고 있음. (8개 공동연구 협력분야 : 연료전지, 바이오연료, 시뮬레이션, CCS, 태양광, 나노기술, 열전변환, 수소연소)

○ 수송 및 산업분야에서 배․폐열을 활용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 신재생 에너지로써의 열전발전기술은 연비 개선 효과 및 에너지 소비 감소 (자동차용 석유 에너지의 3.3%를 회수하면 2 조원의 절약 효과), 에너지 사용량 대비 CO₂ 발생 저감 효과로 인하여 에너지 및 환경 측면에서 큰 이점을 제공할 수 있음.

□ 핵심개발 기술의 의의
○ Non-Telluride계 고성능 열전소재 제조기술 확보
- 열전소재 : Skutterudite계, Half-Heusler계, Silicide계

○ Non-Telluride계 열전소재를 이용한 중고온용 열전발전모듈 제조기술 확보
- 상용 열전모듈 제조공정 기반의 저비용의 경제적 모듈 제조기술 확보
- 중고온대역에서 적용가능한 중고온용 열전발전모듈 제조기술 개발

□ 적용 분야
○ 산업폐열 분야 : 공장폐열/발전소/소각로 폐열용 TEG
○ 수송폐열 분야 : 자동차/선박/항공기 폐열용 TEG
○ 자연열/병합열 분야 : 지열/태양열, RTG, 연료전지
○ 인체열/미소열 분야 : Micro TEG

(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 10
• 목차 ... 15
• 제 1 장 서론 ... 16
• 제 1 절 과제의 개요 ... 16
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 18
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 18
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 23
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 25
• 제 4 절 수행 결과의 보안 등급 ... 37
• 제 5 절 유형적 발생품 구입 및 관리현황 ... 38
• 제 3 장 결과 ... 39
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 39
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 140
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 146
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 147
• 제 4 장 사업화 계획 ... 152
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 152
• 제 2 절 사업화 계획 ... 154
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 ... 155
• 부 록 ... 156
• 끝페이지 ... 171