▲ 성균관대 김성웅 교수

미래창조과학부와 한국연구재단은 상온에서 세계 최고 성능을 갖는 열전소재를 개발한 성균관대학교 에너지 과학과 김성웅 교수를 이달의 과학기술자상 6월 수상자로 선정하였다.

열전(熱電, thermoelectrics)은 열에너지를 전기에너지로 바꿔주는 기술로서 사람의 체온만으로 웨어러블 스마트 기기를 충전하고, 태양열, 지열 뿐만 아니라 버려지는 폐열을 재활용하게 할 수 있는 미래의 친환경 에너지 기술로 각광받고 있다.

김성웅 교수는 제조 방식이 간단하고 대량생산이 가능한 공정을 통해 고성능 상온 열전소재를 개발함으로써 차세대 친환경․ 재생에너지 분야에 기술 혁신을 이룬 업적을 인정받았다.

열전 기술의 상용화를 위해서는 열을 전기로 바꿔주는 효율이 높아야 하며, 간단한 제조법을 통해 대용량 소재 생산에 쉽게 적용할 수 있어야 한다. 그러나 기존의 열전소재는 효율성을 나타내는 zT(열전 성능지수)로 나타냈을 때 상온에서 1.0~1.2 zT로, 열을 감지해 전기 신호를 발생시키는 정도에 머물러 있었다.

김성웅 교수는 새롭게 개발한 ‘금속공학적 액상 소결법’으로 상온에서 열전소재의 zT값을 2.0까지 획기적으로 끌어 올렸으며, 제조법 또한 간단하여 대량생산을 가능하게 했다. 열전소재의 성능을 높이기 위해서는 낮은 열전도도와 높은 전기전도도를 동시에 얻어야만 한다. 그러나 이것은 물리적으로 거의 불가능한 것으로 알려져 있었다.

연구진이 새로 개발한 ‘금속공학적 액상 소결법’은 480℃의 고온에서 일부 고체가 녹아 액체로 형성되면서 고체 분말 간 결합을 촉진시킨 뒤, 액체만 배출되는 방식으로 결합 과정에서 고체 결정의 서로 닿는 면에 전위라는 밀도가 높은 결함이 형성된다. 이 결함에서 전자는 원활히 이동하지만 열은 이동하기 어려워, 전기전도성을 유지하며 열전도도를 한계 수준까지 끌어내림으로써 물리적 난제를 극복하고 효율을 기존 대비 2배로 올릴 수 있었다.

본 열전소재를 기기에 적용하자 기존에 상용화된 열전기기보다 높은 성능과 효율을 보여, 연구진이 개발한 제조법과 소재가 즉시 상용화될 수 있다는 것을 보여주었다.

열전소재는 에너지 발전과 냉각 기술을 바탕으로, 태양광 및 지열 발전, 반도체 순환기와 냉각판, 혈액분석기 등 기계(자동차, 컴퓨터, 우주·항공 등), 바이오, 광학 등 산업 전반에서 광범위하게 활용될 수 있다. 이 성과는 모든 열전소재에 적용되어 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있어, 열전소재 기반의 산업 활성화에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대된다.

김성웅 교수는 동 성과를 바탕으로 최근 세계적으로 권위있는 과학저널 사이언스에 논문을 발표하였으며 현재까지 네이처, 사이언스 2편, 네이쳐 머터리얼스, 네이쳐 피직스, 네이쳐 케미스트리 등 세계적으로 권위 있는 과학저널에 총 80여 편의 논문을 게재하였다.

김성웅 교수는“우선 지도를 잘 따라주고 열심히 연구에 매진하여 사이언스 논문 게재 등 좋은 성과를 낸 김상일 박사님, 이규형 교수님과 이영희 교수님을 비롯한 모든 연구진에게 고맙다는 말을 전하고 싶다”며, “앞으로도 에너지 기술과 응용분야에서 소재와 기기의 성능을 월등히 높일 수 있는 연구를 진행하고, 많은 시민들이 에너지의 중요성을 인식하고 공감하게 될 수 있도록 대중과 소통하려 노력할 것”이라고 수상소감을 밝혔다.