망간 나노입자로 폐열 발전 효율 높였다

연세대학교 기계공학과 김우철 교수 연구팀이 자동차와 발전소, 산업설비, 전자기기에서 발생하는 폐열을 전기로 바꾸는 고효율 열전소재를 개발했다. 친환경 소재인 셀레늄화주석(SnSe)에 망간(Mn) 3%를 첨가해 전기의 흐름은 개선하고 열의 전달은 억제했다. 열전성능지수(zT)는 최고 2.3을 기록해 다결정 SnSe 기반 소재 가운데 세계 최고 수준의 성능을 달성했다.

연구팀은 소재 내부에 약 5~10나노미터 크기의 MnSe 자성 나노입자를 형성했다. 초상자성을 띠는 이 입자는 전자의 이동을 효과적으로 제어해 전기전도도를 높이면서도 높은 열전효율을 유지했다. 일부 망간 원자는 SnSe 결정구조에 직접 치환돼 원자 사이의 결합을 약화하고, 열을 운반하는 격자 진동인 포논의 이동을 줄이는 ‘격자 연화’ 현상도 유도했다. 이를 통해 열전도도는 기존 소재보다 약 31% 낮아졌다.

열전소재는 물체 사이의 온도 차이를 이용해 전기를 직접 생산하며, 별도의 연료나 회전 장치가 필요하지 않다. 그러나 일반적으로 전기가 잘 흐르는 소재는 열도 쉽게 전달하기 때문에 전기전도도와 열 차단 성능을 함께 높이기 어렵다는 한계가 있었다. 이번 연구는 자성 나노입자를 통한 전자 이동 제어와 결정구조 조절을 통한 포논 억제를 결합해 두 성능 사이의 난제를 해결하는 설계 전략을 제시했다.

이번 성과는 특정 소재의 개선을 넘어 자성과 격자공학을 융합한 열전소재 설계 개념으로 다양한 소재에 적용될 가능성을 열었다. 산업공정과 자동차, 발전설비, 반도체·전자기기의 폐열 회수는 물론 에너지 하베스팅과 무선전력전송 융합기술의 핵심 소재로 활용될 수 있다. 쏨나트 아차리아 연세대 연구교수가 제1저자와 교신저자, 김우철 교수가 교신저자로 참여했으며 이화여대·경희대·포항공대·한국건설기계연구원 연구진이 공동 수행했다. 한국연구재단의 지원을 받은 연구 결과는 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.