포스텍, 실리콘 나노튜브로 ‘폐열 발전’ 한계 돌파…차세대 열전기술 규명

연구 이미지. /포스텍 제공

포항공과대학교(POSTECH)는 전자전기공학과·IT융합공학과 백창기 교수 연구팀이 ‘속이 빈 실리콘 나노튜브’ 구조를 이용해 폐열을 전기로 바꾸는 열전소자의 효율 한계를 극복할 원리를 규명했다고 11일 밝혔다.

열전소자는 온도 차이를 이용해 전기를 생산하거나 전류를 통해 냉각을 구현하는 고체형 에너지 변환 소자다. 기존 상용 열전소재는 비스무트(Bi), 텔루륨(Te) 등 희소금속에 의존해 원가 상승 및 공급망 불안정 등의 한계가 있었다.

지구상에 풍부한 실리콘이 대체재로 꼽혀왔으나 열이 너무 잘 전달돼 열전 효율이 낮다는 단점이 있었다. 열전소자의 효율을 높이려면 전기 전도성은 유지하면서 열의 이동은 최대한 억제해야 한다.

연구팀은 속이 꽉 찬 ‘나노선’ 대신 내부가 비어 있는 ‘나노튜브’ 구조를 도입해 이 딜레마를 해결했다. 

실험 결과, 실리콘 나노튜브는 나노선 대비 열전도도가 최대 약 70% 낮았다. 

특히 표면적 비율을 동일하게 맞춘 조건에서도 나노선보다 열전도도가 약 33% 더 낮게 나타나 속이 빈 구조 자체가 열 흐름을 추가로 억제한다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이러한 현상의 원인을 ‘포논(Phonon) 국소화’로 규명했다. 포논은 고체 내부에서 열을 전달하는 진동 단위로 이 진동이 구조 전체로 퍼지지 못하고 특정 영역에 갇히면서 열전달이 차단된 것이다. 

기존에는 극저온이나 특수 구조에서만 발생한다고 알려졌던 포논 국소화 현상이 상온 환경의 나노튜브 구조에서도 일어날 수 있음을 최초로 입증했다.

이번 연구는 인공지능(AI) 데이터센터, 전기차 배터리, 국방·우주 시스템 등 고출력 장비의 폐열 회수 및 정밀 온도 제어 기술에 폭넓게 적용될 수 있다.

백창기 교수는 “국내 반도체 제조 공정 기술과의 호환성 덕분에 희토류 재료에 의존하지 않는 차세대 열관리 시장을 선도할 수 있을 것”이라고 말했다.

해당 연구 성과는 에너지·나노기술 분야 국제 학술지인 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 최근 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]