나노입자를 함유한 칼코젠 화합물 합성기술 및 소재 개발

한국세라믹기술원(원장 유광수)은 도환수 박사와 부산대학교(총장 전호환) 재료공학부 이정우 교수가 최근 공동연구를 통해 ‘나노입자를 함유한 칼코젠 화합물 합성기술 및 소재’ 개발에 성공했다고 지난 5월 29일 밝혔다.
연구팀이 개발한 합성기술은 1,000℃에서 용융한 칼코젠 화합물을 실온으로 급속 냉각한 후 열제어 공정을 통해 나노미터급의 다양한 형상을 만들 수 있다. 칼코젠(chalcogen)은 주기율표 제 16족에 속하는 원소로 산소족(oxygen group)이라고 한다. 대표적인 원소로 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se), 텔러륨(Te)등이 있다. 칼코젠 원소와 다른 족의 원소, 전이금속 등과의 조합으로 만들어진 소재를 칼코젠 화합물이라고 한다.
그동안 많은 연구팀이 PbTe(납텔루라이드) 내부에 나노입자를 합성하려고 시도했으나 고용도와 존재하는 온도영역의 구간이 협소하여 합성이 어려웠다. 연구팀은 이론적으로 360~575℃의 특정 구간에서만 존재하던 형상을 PbTe(납텔루라이드)에 적용하여 합성한 결과, 형상이 생성되는 구간이 250~700℃로 확대됨을 확인했다. 이를 통해, PbTe(납텔루라이드) 소재 내부에 Ag-Sb-Te(AgSbTe₂) 나노입자를 분산시키고 소재(PbTe)와 나노입자의 균질한 계면을 형성함으로써 선택적 열전도도 제어를 구현하여 나노입자의 핵생성에서부터 성장 및 상분리 메커니즘을 규명했다. 그 결과, 전기적 특성은 유지하면서 열전도도를 낮추어 열전소자의 성능을 향상시킬 수 있었다. 또한, 연구팀은 합성기술을 통해 기존 열전소재에 쓰이던 PbTe(납텔루라이드)에 Ag(은)와 Sb(안티모니)를 합성하여 열전도도가 최대 30% 개선된 소재도 개발했다.
한국세라믹기술원 도환수 박사는 “나노입자를 선택적으로 활용하여 열에너지 효율을 제어할 수 있는 신소재를 개발했다는데 의의가 있다”며 “산업분야에서 재생되지 못하고 버려지는 자동차 폐열 회수 발전뿐만 아니라 우주항공분야, 바이오, 무선센서 네트워크(WSN) 등에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)가 발행하는 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리(Journal of Materials Chemistry C, JMCC) 4월호 후면 표지논문으로 게재됐다.