보도자료
배포일	2024년 12월 6일(금) 08:00			엠바고	온라인 : 2024년12월8일(일) 12:00 지 면 : 2024년12월9일(월) 조간
문 의	연구부서	화학소재연구본부 조동휘 선임연구원(042-860-7216, 010-5391-0221) 화학소재연구본부 이정오 책임연구원(042-860-7336, 010-4416-3446) 화학데이터기반연구센터 이예리 선임연구원(042-860-7959, 010-4266-6320)
	홍보부서	대외협력실 양경욱 실장(042-860-7998, 010-5564-1700) 대외협력실 강가람 선임행정원(042-860-7815, 010-4699-2639)

온도 차이로 발전...열전 소재, 값싼 재료로 쉽게 만든다 - 독성 금속 포함된 기존 상용 소재와 달리 인체 무해, 저렴한 구리-황 소재 활용한 열전 소재 - 기존 화학적 합성법에 비해 간단하게 정밀한 구조로 대량 생산하고, 다양한 기판에 부착 가능 - 40℃ 온도 차 환경에서 밀리와트 수준 전력 생성 - 주변 온도 탐지 기능을 갖춘 스마트 장갑 센서 등 활용 가능

□ 국내 연구진이 물체 간 온도 차이로 발전이 가능한 열전 소재를 친환경적이고 경제적인 재료로 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

◯ 한국화학연구원(원장 이영국) 조동휘, 이정오, 이예리 박사 연구팀은 최근 고려대학교(총장 김동원) 전석우 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 비싸고 독성이 있는 기존 상용 열전 소재 재료 대신, 구리(Cu) 기판에 매우 저렴한 황(S)을 용액 형태로 처리한 구리 황화물(CuS) 나노구조 박막 제조 기술을 보고했다. 이번 연구 결과는 세계적 권위 국제학술지 ‘인포멧(InfoMat)’에 11월 표지 논문으로 게재됐다.

□ 발전소·선박·차량 등 산업 기계에서 발생하는 에너지의 65% 이상은 열로 손실되는 만큼 폐열을 전기로 바꾸는 열전 소재 연구가 활발하다. 상용 열전 소재인 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃), 리드 텔루라이드(PbTe) 등의 합금 소재는 ZT(열전 성능 지수) 값이 1 이상의 높은 열-전기 변환 효율을 보인다. 다만 비싸고 독성이 있어 대량 생산 및 친환경 에너지 발전이 제한된다.

□ 연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 구리 황화물(CuS)에 주목했다. 먼저 미세한 두께의 결정성 구리 호일을 황 용액에 담근 후, CuS가 결정화될 때까지 온도, 시간, 그리고 반응 농도를 정밀하게 제어하여 CuS의 성장 형태를 세밀하게 조절했으며, 성장 원리를 최초로 규명하였다.

◯ 이 제조 방식은 기존의 화학적 합성법으로 CuS 나노입자를 만드는 방법보다 더 간단하고, 대면적 생산도 빠르게 할 수 있다. 만들어진 CuS 표면은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥들이 자라난 상태로서, 마치 빼곡한 오리털처럼 열 이동을 잘 막아준다. 열이 일부 구역에만 맴돌며 찬 구역과 온도 차이가 오래 유지될수록 열-전기 변환 효율은 높아진다.

◯ 제작된 CuS 나노 구조 박막은 구리 호일의 습식 식각 공정을 통해, 기판에 반도체를 옮겨 심듯이 유연 기판 등 다양한 기판에 전사(잘라내 붙이기)가 가능하다. 이에 따라 고온 발생 기계의 폐열 회수, 웨어러블 기기의 최첨단 에너지 수확 시스템 등에 다양하게 적용할 수 있다.

◯ 개발된 CuS 나노 구조 박막은 650K(367.85℃)에서 ZT 값 0.91을 기록해 기존 상용 열전 소재와 비교할 수 있는 매우 높은 열전 성능을 보여주었으며, 300~400℃ 범위의 산업 기계에 적합할 것으로 예상된다. 또한, 40K(40℃)의 온도 차가 발생할 경우 CuS 기반 열전 발전기를 사용하여 저전력 센서에 활용 가능한 밀리와트 수준의 전력을 생산할 수 있다. 다양한 기판에 쉽게 옮길 수 있는 특징 덕분에 개발한 박막을 장갑에 적용해, 무선 온도 탐지 기능을 추가한 스마트 장갑도 만들 수 있었다.

□ 연구팀은 향후 CuS 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 하베스팅 기술에 적용하여 상용화할 계획이다. 이를 통해 전 세계적으로 에너지 효율성을 높이고, 온실가스 배출을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.

◯ 연구진은 “기존 상용 소재보다 저렴한 재료로 원하는 구조를 정밀하게 만들었고, 대량 생산이 가능하다는 점이 차별성”이라고 말했다. 또한 화학연 이영국 원장은 “친환경 열전 박막 소재가 폐열 회수 시장 개척 및 웨어러블 기기 제품 혁신으로 이어져, 미래의 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.”라고 말했다.

◯ 이번 논문은 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지인 ‘재료 정보(인포맷, InfoMat, (IF : 22.7))’에 2024년 11월 표지논문으로 게재됐다. 화학연 이예리·이건희 박사, 고려대 최명우 박사가 공동 1저자로 참여했다. 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 정보융합기술단의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문 주요 사항

2024.10.16. 논문 (온라인 게재 10월, 표지논문 게재 11월)

◦저널명 : InfoMat(IF : 22.7) ◦논문명(영문):Transferable, Highly Crystalline Covellite Membrane for Multifunctional Thermoelectric Systems ◦논문명(국문):다기능 열전 시스템을 위한 전사 가능한 고 결정성 구리황 분리막 소재 ◦저자 정보 : 조동휘(교신저자, 화학연), 이정오(교신저자, 화학연), 전석우(교신저자, 고려대), 이예리(공동1저자, 화학연), 이건희(공동1저자, 화학연), 최명우(공동1저자, 고려대), 이혜정(공동저자, 표준연), 양진훈(공동저자, 화학연), 장한휘(공동저자, KAIST), 한현석(공동저자, KAIST), 강민성(공동저자, 화학연), 유성광(공동저자, 미국 노스웨스턴대), 장아랑(공동저자, 공주대), 오용석(공동저자, 창원대), 박인규(공동저자, KAIST), 오민욱(공동저자, 한밭대), 신호선(공동저자, 표준연) ◦DOI : http://doi.org/10.1002/inf2.12626

연 구 결 과 문 답

이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교)		- 결정성 Cu 기판의 용액 기반 황화 과정을 통해 CuS 박막을 제작하는 친환경적이며 양산 가능한 원천 기술을 제시함 - 인체 무해한 Cu와 S로 이뤄진 초박막 CuS 열전 멤브레인 개발 - Cu의 결정학적 배향(원자 배열 방향 제어), 황화 조건(액체 형태 황이 굳는 조건 제어)에 따라 CuS의 성장 과정을 제어하여, 전자(전기 생산) 및 포논(열 전달) 이동을 효과적으로 조절하는 고결정성 CuS 박막을 생산함 - 습식 전사 방식을 통해, CuS 박막을 기판에 자유롭게 전사할 수 있으며, 이는 반도체 공정인 화학 기상 증착(CVD) 기반 2D 소재에서도 흔히 사용되는 방법임 - Sub-micron 직경의 나노로드 구조물로 구성된 밀집 네트워크를 가진 CuS 박막이 개발되었으며, 이의 낮은 에너지의 전자 필터링 및 포논 산란을 통해 높은 열전 성능(ZT = 0.91 at 650 K)을 달성함 - CuS 박막을 활용한 열전 발전기가 40 K의 온도 차에서 밀리와트 수준의 전력 밀도를 생성하여 소형 전자 기기 구동에 적합함 - 이 박막의 유연성과 온도에 따른 전기적 특성 변화를 활용하여, 무선 스마트 장갑의 스마트 센서 소재로 활용 되었으며, 이를 통해 온도 감지 및 항균 활동 등 다기능을 수행할 수 있음 - 이는 배터리가 포함된 다양한 웨어러블 기기(스마트 폰, 스마트 워치 등)에서 열폭주 예방을 위한 온도 센서로 활용 가능
어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품)		- 300∼400℃ 수준 열이 손실되는 산업 기계의 폐열 발전 - 배터리가 포함된 다양한 웨어러블 기기(스마트 폰, 스마트 워치 등)에서 열폭주 예방을 위한 온도 센서로 활용 가능
실용화를 위한 과제는?		열전 소재로부터 발생한 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 에너지 저장 소재 및 소자 개발 발전-저장이 일체화된 고효율 독립전원 시스템 구축
실용화 가능 시기는?		- 발전-저장이 성공적으로 일체화된다면 2030년경 실용화 가능할 것으로 예상
산업적, 경제적 파급효과는?		- 폐열을 전기로 변환하는 기술은 개발도상국이나 에너지 공급이 불안정한 지역에 지속 가능한 전력원을 제공해 에너지 빈곤을 줄일 수 있음 - CuS 열전 박막 기술은 폐열 회수 시장을 활성화시키고, 관련 산업 및 신기술 개발에 대한 투자를 촉진하여 경제 성장을 견인할 수 있음

(참고) 연구 내용 관련 상세 참고 자료

□ 관련 기술 분야 용어 설명

◯ 열전 소재(Thermoelectric materials) : 열(thermo)과 전기(electric) 간의 상호 변환이 가능한 소재를 말한다. 제백 효과를 이용해 온도 차로 전기를 생성한다. 열전 소재의 성능은 ZT값으로 평가하며 일반적으로 ZT값이 높을수록 열 에너지를 전기로 변환하는 성능이 좋은 것으로 간주할 수 있다.

◯ 열전 소재 원리(제백 효과, Seebeck effect) : 어떤 물체의 한 지점과 다른 지점에 온도 차이(열) 발생 시, 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 전하(전자)가 이동하며 전기가 생성되는 효과이다.

* 자동차 엔진, 머플러 등에서 발생하는 폐열을 전기 에너지로 변환해 사용하거나, 태양열 패널에 적용해 열 에너지에서 전기 에너지로 바꾸는 방식으로 활용 가능

◯ 열전 소재 성능 평가 지표(ZT 값) : 전기 전도도(↑), 제백 계수(↑), 열 전도율(↓)의 조합에 따라 ZT 값이 커진다. 전기 전도도가 높을수록 전자가 잘 이동해 발전량이 많아진다. 제백 계수는 온도 차이에 따른 전기 생산량을 의미하며, 같은 온도 차이가 나는 환경이더라도 제백 계수가 큰 열전 소재가 더 많은 전기를 생산한다. 열 전도율이 낮을수록 온도 차이가 오랫동안 유지되어 많은 전기 생산에 유리하다.

◯ 습식 식각(Wet Etching) : 식각 공정이란 원하는 패턴이나 모양으로 물질을 깎아내는 공정으로서, ‘건식 식각’은 레이저를 통해 물리적으로 제거하는 방식이고, ‘습식 식각’은 화학 용액으로 깎아내는 방식이다. 습식 식각은 넓은 영역을 빠르게 깎아낼 수 있는 간단한 공정과 저렴한 비용으로 인해 대량 생산에 적합하다. 반도체, 박막, 금속 등의 제조 공정에서 널리 사용되며, 특히 얇은 막을 정밀 가공 시 매우 유용하다.

◯ 전사(轉寫, transfer) : 재료나 물질을 특정 기판(또는 표면)에서 떼어내어 다른 기판으로 옮겨 붙이는 공정이다. 반도체, 나노 재료 등을 원하는 위치에 세밀하고 정확하게 대량으로 옮길 수 있고, 다양한 기판에 재료를 붙일 수 있어 유연 기판, 고온 내성 기판 등 여러 응용에 적합하다.

□ 글로벌/국내 동향, 시장 규모 등

◯ 열전 소재 기술 관련 세계 시장 규모 : 열전 소재 기술 세계 시장 규모는 2023년 약 5억 달러로 평가되며, 연평균 성장률(CAGR) 12%로 성장하여 2030년 약 12억 달러에 이를 것으로 예측되고 있다.* 특히 자동차 및 전자기기 산업에서 열전 소재에 대한 수요 증가, 에너지 효율성 개선, 그리고 폐열 회수 시스템의 활용 확대가 예상되고 있다.

* (출처) Fortune Business Insights(2024.9), 열전 소재 시장 글로벌 시장 분석 및 전망 https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/thermoelectric-module-market-100590

□ 기존 기술 한계 및 개발 현황 등

◯ 전 세계 산업 기계에서 발생하는 에너지의 65% 이상이 열로 손실되며, 이는 발전소, 선박, 차량 등에서 많이 나타난다. 이러한 폐열을 전기로 변환하는 열전 시스템은 지속 가능한 에너지원으로 주목받고 있다.

◯ 그동안 다양한 나노 기술을 통해 열전 소재의 전기적 및 열적 성질을 조절함으로써 열전 성능지표인 ZT 값을 향상시키려는 연구 시도가 있었으나, 다양한 폐열 발생 장비의 기판 형태 등에 적용하기 위한 맞춤형 설계 구현이 실질적으로 어려웠다.

◯ 또한, 실제 응용분야(에너지 하베스팅, 센서 등)에서 요구되는 수준의 균일성, 양산성 확보를 위해선 많은 연구 개발이 필요한 상태이다.

◯ 현재 상용화 수준에 가까운 열전 소재는 대부분 인체에 유해한 독성 원소(납(Pb), 텔루륨(Te) 등) 포함, 자원의 희소성 및 고비용 등의 문제가 있다. 그리고 대부분 단단한 고체 형태여서 다양한 형태의 제품에 적용하기 위한 유연성이 부족하다.

◯ 또한, 상용화된 열전 소재의 재료인 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃) 합금에 들어가는 텔루륨(Te)은 희귀 원소로 비싸고, 독성이 있어 상용화에 한계가 있다. 이에 따라 저비용, 친환경 대체 재료가 필요한 상황이다.

* 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃) : 실온(300K, 26.85℃)에서 약 1.0 ∼ 1.2의 ZT 값, 현재 상용화된 열전 소재 중 가장 널리 사용 중, 고가이며 독성 문제 있음

◯ 열전 성능을 높이기 위해 열전도율을 감소시키면서도 그 외의 열전 특성들을 유지하는 것이 매우 중요하다. 일반적인 해결법은 재료의 나노 구조화를 통해 포논 이동(열 전달)을 방해시킨다. 하지만 이러한 방법은 결정성이 높은(원하는 형태) 박막을 만드는 데 한계가 있었다.

□ 개발 기술 상세 설명

◯ 공동 연구팀은 웨이퍼 크기의 고결정성 구리 황화물(CuS) 박막 제작 공정을 개발했다. 이 박막은 밀집된 서브 마이크론 직경의 미세한 막대 구조로 구성되어 있어, 이를 통해 전자 이동은 유지하고, 열 전달은 낮춰 높은 ZT 값(열전 발전량)을 달성할 수 있었다.

◯ 우선 연구팀은 기판으로 사용할 구리(Cu)의 원자 배열 방향(결정학적 배향)에 따라 열전 소재 결과물(CuS)이 만들어지는 구조가 영향을 받는다고 가정했다. 연구팀은 구리 기판을 액상 황 용액에 담궜을 때, 구리와 황이 결합하는 흡착 에너지를 계산하여 서로 더 쉽게 결합하는 구리 원자 배열 방향을 찾았고, 이를 통해 원하는 방향으로 박막 결정이 만들어지도록 유도할 수 있었다.

◯ 또한 황이 구리와 결합하는 황화 조건(황화 시간 및 용액 농도)을 조절하여 결과물(CuS) 제작을 최적화했다. 분석 결과 120초 동안 황화 시 CuS 결정이 열의 흐름을 효과적으로 차단하는 구조로 제작되었다.

◯ 만들어진 구리 황화물(CuS) 박막의 성능 평가 결과 전기 전도도는 높아 전기 생산에 유리했고, 열 전도도는 유리 수준으로 매우 낮아 온도 차이를 오래 유지할 수 있어 장기간 안정적으로 발전 상태를 지속하는데 유리한 성질을 보였다.

◯ CuS 박막을 열전 발전기에 12개 직렬 연결하여 평가한 실험에서, 40K(40℃)의 온도 차이 상태에서 최대 193 mV(밀리볼트)의 출력 전압을 기록했고, 일정 시간 동안 생산되는 전력의 양, 즉 전력 밀도는 1.3㎽/㎠(밀리와트 퍼 제곱 센티미터)를 나타냈다. 이는 저전력 센서 구동을 위한 발전 시스템으로 충분히 활용될 수 있는 수준이다. 예를 들어 배터리가 포한된 다양한 웨어러블 기기(스마트 폰, 스마트 워치 등)에 포함되어 열폭주 예방을 위한 온도 센서로 동작할 수 있다.

◯ CuS 박막은 온도 변화에 따라 저항이 달라지는 특성을 이용하여 무선 온도 센서로도 활용될 수 있다. 연구팀은 이 기술을 이용해 스마트 장갑을 만들었는데, 항균 기능을 추가하고 온도 감지 및 데이터 전송 기능을 탑재한 배터리 없는 무선 디바이스로 개발했다.

◯ CuS 박막을 적용한 스마트 장갑의 항균 실험에서, CuS 분리막의 독특한 3D 구조가 박테리아 부착을 억제하고, CuS와 세포막 간의 화학적 반응을 통해 박테리아 세포를 사멸시키는 효과를 나타냈다. 이는 특히 구리 이온이 세포 내로 방출되면서 세포막을 손상시켜 효과적으로 항균 작용을 하는 것을 확인했다.

연구 관련 이미지 및 사진

□ [그림 1] InfoMat 11월 표지 논문 게재

- 논문명(영) : Transferable, Highly Crystalline Covellite Membrane for Multifunctional Thermoelectric Systems - 논문명(국) : 양산 가능한, 고효율 초박형 열전 소재 합성법 세계 최초 개발

□ [그림 2] 친환경적이고 경제적인 구리 황화물(CuS) 열전 소재 대면적, 대량 생산 기술 개발

□ [그림 3] 다양한 기판 위에 전사된 나노 구조 CuS 박막 열전 소재

□ [그림 4] 공정 조건 제어를 통한 나노 구조 CuS 박막 열전 소재의 성장 형태 조절

□ [그림 5] 나노 구조 CuS 박막 열전 소재의 열전 발전 시스템 성능

□ [그림 6] 온도 탐지 및 항균 기능을 갖춘 다기능성 CuS 박막 소재 기반 스마트 글러브

□ [그림 7] 주요 연구진 사진(왼쪽부터 화학연 조동휘 선임연구원(교신저자), 이정오 책임연구원(교신저자), 고려대 전석우 교수(교신저자), 화학연 이예리 선임연구원(공동1저자), 화학연 이건희 박사후연구원(공동1저자), 고려대 최명우 연구교수(제1저자))

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 조동휘
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터
○ 전 화 : 042-860-7216
○ 이메일 : roy.cho@krict.re.kr

2. 학력

○ 2010 – 2014 한양대학교 신소재공학부 학사

○ 2014 – 2016 KAIST 신소재공학과 석사

○ 2016 – 2020 KAIST 신소재공학과 박사

3. 경력사항

○ 2020 - 2021 Northwestern University 박사후연구원

○ 2021 – 현재 한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터 선임연구원

○ 2024 – 현재 UST-KRICT School 조교수

4. 전문 분야 정보

○ 3차원 나노패터닝; 다공성 화학소재; 생체신호 모니터링; 화학 센서

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 이정오
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학소재연구본부 박막재료연구센터
○ 전 화 : 042-860-7336
○ 이메일 : jolee@krict.re.kr

2. 학력

○ 1985 – 1989 이화여자대학교 과학교육과 학사

○ 1989 – 1991 포항공과대학교 물리학과 석사

○ 1998 – 2001 전북대학교 물리학과 박사

3. 경력사항

○ 2001 - 2003 델프트공과대학교 박사후연구원

○ 2003 - 현재 한국화학연구원 선임 및 책임연구원

4. 전문 분야 정보

○ 탄소 나노튜브 및 그래핀 등 저차원 나노소재 기반 소자 제작

○ 나노 전자소자를 이용한 화학/바이오센서 개발

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 전석우
○ 소 속 : 고려대학교 신소재공학부
○ 전 화 : 02-3290-3276
○ 이메일 : jeon39@korea.ac.kr

2. 학력

○ 1993 – 2000 서울대학교 신소재공학과 학사

○ 2001 – 2003 서울대학교 신소재공학과 석사

○ 2003 – 2006 University of Illinoise at Urbana-Champaign (UIUC) 신소재공학과 박사

3. 경력사항

○ 2017 – 2008 Colombia University 박사후연구원

○ 2008 – 2012 한국과학기술원 신소재공학과 조교수

○ 2014 Argonne National Lab 방문학자

○ 2012 – 2018 한국과학기술원 신소재공학과 부교수

○ 2018 – 2019 City University of Hongkong, HKUST 방문교수

○ 2018 – 2022 한국과학기술원 신소재공학과 정교수, 석좌교수

○ 2023 – 현재 고려대학교 신소재공학부 특훈교수

4. 전문 분야 정보

○ 광학 기반 3차원 나노구조 제작 및 응용

○ 2차원 물질 및 양자점 소재 합성 및 응용

○ 차세대 반도체 소재 및 소자

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 이예리
○ 소 속 : 한국화학연구원 화학플랫폼연구본부 화학데이터기반연구센터
○ 전 화 : 042-860-7959
○ 이메일 : yealee@krict.re.kr

2. 학력

○ 2003 – 2007 서울대학교 물리학 학사

○ 2007 – 2015 서울대학교 물리학 박사

3. 경력사항

○ 2015 - 2016 서울대학교 연수연구원

○ 2016 - 2018 포항공과대학교 박사후연구원

○ 2016 - 2018 캘리포니아 대학교 버클리 박사후연구원

○ 2018 - 2021 한국화학연구원 박사후연구원

○ 2021 - 현재 한국화학연구원 선임연구원

4. 전문 분야 정보

○ 그래핀 등 저차원 나노소재 기반 소재 전자구조 분석

○ 나노 전자소자를 이용한 화학/바이오센서 개발

○ 소재 연구데이터 수집 데이터 플랫폼 개발 및 인공지능 연구

연구자 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 최명우
○ 소 속 : 고려대학교 신소재공학부
○ 전 화 : 02-3290-3704
○ 이메일 : cmw122681@korea.ac.kr

2. 학력

○ 2012 – 2018 세종대학교 신소재공학부 학사

○ 2018 – 2020 KAIST 신소재공학과 석사

○ 2020 – 2023 KAIST 신소재공학과 박사

3. 경력사항

○ 2023.03 – 2024.08 고려대학교 신소재공학부 박사후연구원

○ 2024.09 – 현재 고려대학교 신소재공학부 연구교수

4. 전문 분야 정보

○ 저차원 나노소재 합성 및 열전소재 응용

○ 3차원 기능성 나노구조 제작 및 열전소재 응용