Special  열전재료 개발 최신 동향 및 응용 전망

저차원 전자계에서 열전물성 제어의 물리적 원리

이 종 수_ 경희대학교 응용물리학과 교수

1. 서론 : 열전연구의 필요성

지난 이명박 정권시절 차세대 성장 동력으로 “녹색성장”을 키워드로 하여 에너지 환경 분야에 집중적인 투자가 이루어졌다. 당시 전 세계적으로 태양전지에 대한 연구가 붐을 일으켰고 태양광뿐만 아니라 풍력, 연료전지 등 에너지 분야 연구에서 학계의 치열한 경쟁이 지속되고 있었기에 우리나라도 그 거대한 흐름 속에 있었다.
에너지 연구가 붐을 일으켰던 것은 석유가격의 급등에도 한 원인이 있었다. 그러나 이후 미국에서 셰일가스(Shale gas)채굴기술이 상용화 되고 세계 경제위기가 발생하면서 석유의 공급과잉이 지속되게 되었다. 따라서 석유가격은 폭락하고 에너지 문제에 대한 관심은 급격히 줄어들고 그 빈자리를 인공지능(Artificial Intelligent: AI)이 대체하고 있다.
에너지 문제가 수면 아래로 가라앉았다고는 하지만 인류의 지속 가능한 에너지원에 대한 관심과 노력은 지속될 것이고 지속되어야만 한다. 언젠가 사우디아라비아 석유장관은 “석유산업은 석유가 고갈되어 쇠퇴되지는 않을 것이다”라고 말했는데, 석유가 고갈된다고 할 때마다 더 나은 탐사기술과 채굴기술이 확보되고 셰일가스, 하이드레이트 등 새로운 에너지원이 지속적으로 발굴되고 있는 것으로 보아 앞으로 적어도 수백 년 동안은 화석연료가 여전히 인류의 주요 에너지원으로 쓰일 것이라는 것이 필자의 생각이다. 이러한 관점에서 새로운 에너지원을 개발하는 것도 중요하지만 어떻게 하면 화석연료를 효율적으로 쓸 것인지, 그리고 화석연료의 사용으로 배출되는 이산화탄소를 어떻게 잘 회수하여 재사용할 것인지 등이 앞으로 에너지 환경문제를 해결하는데 더 시급한 문제라고 생각한다.
에너지의 효율화 측면에서 열전기술은 버리는 열의 재사용으로 화석연료의 효율성을 높인다. 열전(熱電, thermoelectricity)은 열을 전기로 변환시키거나 전기를 이용하여 온도차를 발생시키기 때문에 친환경 냉각에 이용할 수 있다. 화석연료의 사용은 효율이 매우 좋지 않은데, 예를 들면 자동차의 경우 연료의 1/3만 자동차 운행에 쓰이고 나머지 2/3는 열로 공기 중에 배출된다. 어떻게 하면 이렇게 버리는 열을 재활용할 수 있을까 하는 것에 대한 해답을 열전기술이 제공한다. 실제로 아래 표에서 볼 수 있듯이 다른 신재생 에너지원에 비해서 산업폐열의 에너지양을 보면 다른 에너지원을 다 합한 정도의 양으로 산업폐열의 비중이 월등히 높다. 따라서 폐열의 재사용은 태양광, 풍력, 지열 등의 에너지원을 상회하고도 남을 정도로 커서 에너지 효율화에 기여할 수 있다.
또 한편으로 열전기술은 친환경 냉각에 응용할 수 있다. 기존의 냉각기술은 프레온 계열의 냉매를 이용하여 압축과 팽창을 거치기 때문에 오존층을 파괴하거나 시스템 크기가 커지고, 진동과 소음이 발생한다는 단점이 있다. 프레온 가스의 대체재로 쓰이고 있는 탄화수소 계열 냉매는 이산화탄소에 비해 온실효과가 무려 100배 정도로 높다고 한다. 이에 반해 열전기술은 외부에 전압을 가하면 열전소재 양단에 온도차가 발생하여 냉각시키는 고체냉각이기 때문에 냉매의 사용이 없고, 전자식 온도제어가 가능하여 진동과 소음이 없으며, 압축기 등이 없어서 시스템의 부피와 무게가 크게 절감되는 장점이 있다. 따라서 열전소재는 폐열을 전기로 변환시켜 에너지 효율을 높여주고, 전자식 고체냉각에 응용할 수 있어서 차세대 에너지 환경소재로 매우 유망한 재료이다.

2. 열전물성의 기본 원리

열전소재는 그 활용 범위에 따라 열전발전과 열전냉각으로 나뉠 수 있다. 열전소재가 소자로 작동하기 위해서는 전자가 흐르는 n-type의 소재와 정공(홀)이 흐르는 p-type의 소재가 위 그림과 같이 쌍을 이뤄 폐회로를 형성해야 한다. 열전냉각의 경우 외부에서 전압을 가해주면 n-type의 전자와 p-type의 홀이 위에서 아래로 이동하면서 전류만 이동시키는 것이 아니라 엔트로피도 이동시킨다.

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