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백창기 교수팀, ‘속 빈 구조’의 독자적 열 차단 효과 입증

포스텍 백창기 교수·통합과정 김기영 씨 연구팀./사진=포스텍 제공

포스텍은 버려지는 열을 전기로 바꾸는 차세대 소자 개발의 결정적 실마리를 풀었다고 11일 밝혔다.

희소금속 대신 흔한 실리콘을 활용하면서도 효율을 극대화할 수 있는 길이 열린 것이다.

포스텍 전자전기공학과·IT융합공학과 백창기 교수와 IT융합공학과 통합과정 김기영 씨 연구팀은 ‘속이 빈 실리콘 나노튜브’ 구조를 적용해 열전소자의 효율을 혁신적으로 높일 수 있는 물리적 원리를 규명했다.

열전소자는 온도 차이를 이용해 전력을 생산하는 장치로 우주선 전원부터 산업 폐열 회수, 배터리 냉각 등 활용도가 무궁무진하다.

하지만 지금까지는 매장량이 적고 공급망이 불안정한 희소금속에 의존해야만 했다.

반면 매장량이 풍부한 실리콘은 국내 반도체 공정과 호환성이 높음에도 불구하고 열 효율이 현저히 떨어져 상용화의 문턱을 넘지 못했다.

열전소자의 효율을 높이려면 전기는 잘 통하되 열은 차단해야 하는 상충된 조건을 만족해야 한다.

그러나 구조가 작아질수록 전기 흐름까지 함께 막히는 고질적인 딜레마가 발목을 잡았다.

백 교수 연구팀은 이 난제를 대롱처럼 내부가 비어 있는 ‘나노튜브’ 구조로 해결했다.

연구팀이 속이 꽉 찬 일반 나노선과 비교 실험을 진행한 결과 나노튜브 구조에서 열전도가 무려 70%나 감소했다.

표면적 비율을 동일하게 맞춘 조건에서도 나노튜브는 약 33% 더 낮은 열전도를 기록했다.

이는 단순히 표면적이 넓어져서가 아니라 속이 비어 있는 구조 자체가 열을 가두는 독자적인 장벽 역할을 한다는 것이다.

이번 연구는 공급망 리스크가 큰 희토류 재료 대신 국산 반도체 제조 인프라를 그대로 활용해 차세대 열전소자를 양산할 수 있는 발판을 마련했다는 점에서 의의가 크다.

이번 연구 성과는 나노기술 분야의 세계적 국제 학술지인 ‘나노 에너지’에 최근 게재됐다.

이로운넷=이상호 기자 ish1730@daum.net

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