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Special 글로벌 시장 선점을 위한 세라믹스 국제표준화 동향(1)

벌크형 열전소재 국제표준화 동향

김민영_연세대학교 신소재공학과 박사후연구원

이규형_연세대학교 신소재공학과 교수

1. 서론

탄소중립과 에너지 효율 향상에 대한 요구가 확대되면서 산업공정, 자동차, 반도체 제조공정 및 전자소자에서 발생하는 폐열을 유효 에너지로 회수하기 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 기존 에너지 시스템에서는 투입 에너지의 상당 부분이 저온부터 중·고온 열에너지 형태로 손실되며, 이러한 미활용 열에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있는 열전소재(thermoelectric materials)는 차세대 에너지 변환 소재로 주목받고 있다 [1-3]. 

열전기술은 제벡 효과(Seebeck effect), 펠티에 효과(Peltier effect) 및 톰슨 효과(Thomson effect)와 같은 현상을 기반으로 한다 [4]. 이 중 제벡 효과는 소재 양단에 온도차가 존재할 때 전위차가 발생하는 현상으로, 폐열 회수형 열전발전의 기본 원리이다. 펠티에 효과는 접합부에 전류가 흐를 때 흡열 또는 발열이 발생하는 현상으로, 국소 냉각 및 온도 제어 응용에 활용된다.

열전기술의 핵심 요소인 열전소재의 성능은 일반적으로 무차원 성능지수 zT = S2σT/κ로 평가된다. 여기서 S는 제벡 계수, σ는 전기전도도, κ는 열전도도, T는 절대온도를 의미한다. 따라서 높은 zT를 구현하기 위해서는 높은 제벡 계수와 전기전도도를 확보하는 동시에 열전도도를 낮추어야 한다. 그러나 이들 물성은 전하 운반자 농도, 산란 메커니즘 및 미세구조에 의해 상호 연동되므로 독립적인 최적화가 쉽지 않다 [1,3,5].

최근 열전소재의 성능 증대를 목적으로 나노구조화, 밴드 엔지니어링, 결함 제어 및 계면 구조 설계를 통해 전하 수송 특성을 제어하고 포논 산란을 증대시키려는 연구가 활발히 수행되고 있다 [3,5]. 소재군 측면에서는 Bi2Te3계, PbTe계, skutterudite계, half-Heusler계 및 산화물계 열전소재가 대표적이며, 상온 냉각 응용뿐 아니라 중·고온 폐열 회수 영역까지 적용 범위가 확대되고 있다 [2,3,6]. 특히 산화물계 열전소재는 고온 산화 분위기에서 화학적 안정성과 내산화성이 우수하여 산업 폐열 회수용 소재로 활용 가능성이 높다 [7].

열전소재의 성능 향상을 위해서는 소재 설계 및 합성 기술의 고도화뿐만 아니라, 물성 평가 결과의 신뢰성 확보도 필수적이다. 제벡 계수, 전기전도도 및 열전도도는 각각 측정 원리와 오차 요인이 다르며, 세 물성을 통해 zT가 산출되므로 단일 물성의 작은 오차도 최종 성능지수에 누적될 수 있다 [11,13]. 따라서 측정 결과의 기관 간 비교 가능성, 장비 간 재현성 및 데이터 신뢰성을 확보하기 위해서는 표준화된 측정 절차와 결과 산출·표기 기준의 정립이 요구된다. 이러한 배경에서 국제표준화기구(ISO)는 ISO/TC 206(Fine ceramics)을 중심으로 벌크형 열전소재의 전기적 수송 특성 측정 방법을 표준화하였으며, 2023년 ISO 24687:2023을 제정하였다 [10]. 본 기고에서는 벌크형 열전소재의 전기적 수송 특성 측정 방법을 표준화의 핵심 측정 원리와 기술적 특징을 중심으로 국제표준화의 의미와 향후 활용 방향을 살펴보고자 한다.

2. 본론

2-1. 벌크형 열전소재 측정 표준화 필요성

열전소재의 성능을 정량적으로 비교하기 위해서는 제벡 계수, 전기전도도 및 열전도도의 온도 의존성을 정확하게 측정해야 한다. 특히 제벡 계수와 전기전도도는 전하 운반자 농도, 이동도, 밴드 구조 및 산란 메커니즘을 반영하는 핵심 물성이다 [9]. 출력인자(power factor, S2σ)는 제벡 계수의 제곱과 전기전도도에 의해 결정되는 전기적 에너지 변환 능력의 지표로, 열전발전에서 나타내는 소재 간 비교와 모듈 설계에서 중요한 기준으로 활용된다. 그러나 열전소재의 전기적 수송 특성은 장비 구조, 프로브 접촉 상태, 시편 치수, 온도구배 형성 방식, 측정 분위기, 전류 인가 조건 및 데이터 처리 절차에 민감하게 영향을 받는다 고온 측정에서는 시편과 전극 사이의 접촉저항 변화, 프로브 오염, 열기전력 오프셋, 온도 안정성 부족, 산화·환원 반응 등이 측정 결과의 신뢰성과 재현성을 저하시키는 주요 요인으로 작용할 수 있다 [8,11].

측정법이 표준화되지 않으면 동일 조성과 유사한 밀도를 갖는 시편이라도 연구기관, 장비 제조사 또는 분석자에 따라 상이한 결과가 도출될 수 있다. 이는 소재 성능 비교의 객관성을 저하시킬 뿐만 아니라, 제품 규격 설정, 장비 검증 및 상용화 단계의 품질관리 과정에서 기술적 논란으로 이어질 수 있다. Borup 연구팀은 열전 수송 특성 측정에서 발생할 수 있는 주요 오차 요인을 분석하고, zT 산출 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 측정 반복성, 장비 간 재현성, 측정 조건의 명확한 제시 및 오차 요인 평가가 함께 수행되어야 함을 강조하였다 [11]. 이러한 문제는 국제 공동 측정 연구에서도 확인된 바 있다. Wang 연구팀은 n형 half-Heusler 소재를 대상으로 6개국 11개 기관이 참여한 Round-Robin Test를 수행하였으며, 동일 시편을 사용하더라도 장비 구성과 측정 절차에 따라 제벡 계수와 전기저항 측정값에 유의미한 편차가 발생할 수 있음을 보고하였다 [12]. 또한 Alleno 연구팀은 skutterudite계 소재를 대상으로 유럽 연구기관 간 측정 결과를 비교하고, zT 산출값의 편차가 단일 물성의 오차보다는 제벡 계수, 전기전도도 및 열전도도 측정 오차가 복합적으로 누적된 결과임을 제시하였다 [13].

그림 1. 전기비저항 측정을 위한 4단자법 모식도 [10]

그림 2. Off-axis 4단자법 기반 제벡 계수 및 전기전도도 동시 측정 시스템 [10]

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 6월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>