초록 ▼

□ 연구개요
• 기존 열전소재 합성연구는 알려진 각 원소의 온도 및 조성에 따른 상 평형도에 의거, 고용체 및 미소 석출물 형성을 통한 수송 성질 개선 연구가 진행되어왔음. 고체 구조내에 형성되는 원자/나노/메조 수준의 구조체들은 전하와 포논 이동 현상에 크게 영향을 미쳐 열전특성을 결정하기 때문에 기존의 고체 화학적 지식의 재정의 및 이에 기반한 열전소재 합성전략 연구가 필요한 상황임.
• Bi₂Te₃, PbTe 등 상용화된 대다수의 열전소재의 경우, 희소성이 높은 고가 원소인

□ 연구개요
• 기존 열전소재 합성연구는 알려진 각 원소의 온도 및 조성에 따른 상 평형도에 의거, 고용체 및 미소 석출물 형성을 통한 수송 성질 개선 연구가 진행되어왔음. 고체 구조내에 형성되는 원자/나노/메조 수준의 구조체들은 전하와 포논 이동 현상에 크게 영향을 미쳐 열전특성을 결정하기 때문에 기존의 고체 화학적 지식의 재정의 및 이에 기반한 열전소재 합성전략 연구가 필요한 상황임.
• Bi₂Te₃, PbTe 등 상용화된 대다수의 열전소재의 경우, 희소성이 높은 고가 원소인 Te를 사용하므로 열전기술의 소비자 시장 진입에 장벽이 되고 있으며, 향후 열전소자 시장이 성장할 경우 가격이 급등할 것으로 예상되어 이를 대체할 수 있는 새로운 열전소재의 개발이 요구되는 상황임.
• 따라서 본 연구진은 Te를 활용하지 않는 PbSe와 SnSe 구조 기반 소재를 선정, 조합화학적 방법을 통한 열전소재 물성 향상 연구를 진행하여 소재 격자 내 도입한 원소 조합의 용해 한계를 탐색하고 합성 조건 최적화를 통해 소재 내 고용체 및 석출물 설계 원천기술을 확보하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
• 본 연구진은 3년간의 연구 기간 동안, 전 주기율표에 걸쳐 전형원소 및 전이금속을 조합화학적 alloying 및 doping 방식으로 PbSe 및 SnSe 결정격자에 도입하여 벌크소재 내 미세구조 설계 연구를 진행함. 이를 통해 열전성능을 극대화할 수 있는 최적 조성 및 합성 조건을 탐색함.
• 소재 합성의 핵심 원천기술을 바탕으로 과제 목표인 중온 영역 Te-free PbSe 기반소재, SnSe 기반소재 최고 열전성능지수(ZT) 달성함.
• PbSe 기반 소재로 n-type 다결정 열전물질들 중 가장 높은 평균 ZT 1.3 값을 기록하였으며 n형 다결정 열전소재 중 최고 열전 성능 지수인 ZT 1.7을 달성함.
• SnSe 기반 소재로 역사상 세계최고 열전성능지수 ZT = 3.1, 열전변환효율 20% 달성하는 결과를 얻었음.
• 두 결과는 Te-free 기반소재 뿐만 아니라 모든 열전 소재들 중 최고의 결과이며 초고성능 열전발전기술 상용화의 새로운 도약점으로 볼 수 있음.
• SnSe, PbSe 기반소재 뿐만 아니라 조합화학적 합성 방법 및 합성조건 최적화를 통한 고체 소재 내 원자/나노단위 미세구조 설계 및 발생 메커니즘 규명과 미세구조 도입을 통한 소재의 전기/열 수송 성질 제어 및 최적화 과정을 거쳐 Bi₂Te₃ 기반소재, chalcopyrite sulfides인 CuFeS₂ 기반소재의 열전소재에 접목하여 우수한 연구성과 또한 도출해냄.
• 축적된 소재설계기술을 기반으로 열전소재 분야 뿐만 아니라 세계 최초로 모든 입사각의 빛을 음굴절 시키는 3차원 벌크 메타물질을 합성했으며, 최초로 메타물질의 성질을 구조체의 형태가 아닌 화학적 조성으로 제어할 수 있음을 발표함. 난제였던 Mott 절연체인 RuCl₃의 전자밴드 구조 제어를 (NH₄)_0.5RuCl₃·1.5 H₂O 합성을 통해 화학적으로 변조하고, 기존 물리법칙을 벗어나 전하이동도와 전하농도를 동시에 향상시켜 전기전도도를 약 1000배 이상 증가시키는 새로운 성능향상 전략을 제시함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
• 조합화학적 원소군을 도입하는 탐색적 합성을 통한 정밀한 다원소 기반 상평형도 제시와 원자분해능 구면수차보정 투과전자현미경을 활용한 벌크 고체소재 내 미세구조 형성 메커니즘 규명은 아직 미개척 분야로, 이러한 연구 성과는 무기 및 재료화학 기초연구에 크게 기여함.
• 21세기 들어 기술개발 경쟁이 치열해지고 있는 열전소재 분야에 본 연구 결과를 활용하여 저비용, 고효율의 열전소재를 성공적으로 개발하면 해당 분야와 관련된 원천기술 및 특허 확보에 선도적인 위치를 점유할 것으로 전망됨.
• 현재 전체 생산전력의 60% 이상이 폐열로 소모되고 있고, 대부분의 전기에너지주 생산원은 화석 에너지원임. 반도체로 구성된 열전소자는 온실가스 발생 없이, 낭비되는 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하므로 친환경, 에너지 절감이라는 시대적 요구에 가장 잘 부응하는 기술로 미래 에너지 강국이 되기 위한 초석이 될 수 있음.
• 세계 최고 수준의 중온용 열전소재 기술 개발 및 확보를 통해 산업용·수송용 폐열회수 분야의 시장성 확대 및 기술우위 점유 가능. 대량의 폐열이 발생하는 자동차, 중공업 제조업, 지속적으로 작동하는 대규모 연소엔진 (대형선박, 유조선) 등에 적용될 경우 상당한 수준의 화석에너지 절감 및 이로 인한 온실가스 배출 감소 효과를 얻음. 특히 대한민국 산업 중심축인 전자, 조선, 자동차 산업과 융합될 경우 높은 부가가치를 창출할 것으로 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 연구개발 개요 ... 4
• 1-2. 국내·외 연구동향 ... 5
• 1-3. 연구개발의 중요성 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 8
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 8
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
• 3) 목표 달성 수준 ... 18
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 18
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 19
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
• 6. 자체점검표 ... 20
• 7. 참고문헌 ... 21
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 22
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 27
• 끝페이지 ... 41