포스텍, '물결'로 난제를 극복하다. <실리콘 친환경 열전소자> 개발

포스텍, '물결'로 난제를 극복하다. <실리콘 친환경 열전소자> 개발

대학생신재생에너지기자단 23기 김예진

[열전발전에 의한 에너지 하베스팅]

DOE(미국 에너지부)와 LLNL(로렌스 리버모어 국립연구소) 발표에 따르면 최근 10년간 매년 미국 전체 발전량의 50~58% 이상이 열 형태로 버려지고 있는 것으로 나타났다. 이 같은 문제의 대표적인 해결책으로 에너지 하베스팅의 열전발전이 있다. 에너지 하베스팅은 태양광, 진동, 바람 등과 같은 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 모아서 유용한 전기에너지로 바꾸어 사용할 수 있도록 하는 기술을 말한다. 에너지를 얻기 위한 방법으로 태양광 발전, 압전 발전, 전자기 발전, 열전발전 등이 있으며, 본 기사에선 열전발전을 다룰 것이다.

[자료 1. 열전발전의 원리]

출처 : ICEPIPE

열전발전은 열전소자를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 발전 방식이다. 열전소자는 반도체의 양단에 온도 차이가 발생하면 기전력이 발생하는 제백 효과(Seeback Effect)를 기반으로 하는 소자이며, 기전력은 열전소자의 양 끝 온도차에 비례하여 발생한다. 이때, 제백 계수는 온도차 1°C 당 얼마만큼 전압이 발생하는지를 나타낸 것이며, 제백 계수(S)=발생전압(V)/온도차(K)이다. 열전현상은 체온, 원자력 열, 화석연료 열, 폐열에너지 등 다양한 종류와 온도로부터 발생할 수 있다.

 

[열전소자의 친환경 소재, 실리콘]

실리콘은 반도체 산업(열전소자)뿐 아니라 자동차, 우주항공, 의료 및 제약분야 등 다양한 산업에서 떠오르는 친환경 소재다. 실리콘은 돌, 모래(SiO2)를 COKE와 함께 태워 산소(O2)를 제거하고 Si를 추출하여 중합반응 시켜 실록산결합(Si-O-Si)에 의해 연결된 폴리머이다. 즉, 천연에는 존재하지 않으며 인공적으로 합성된 것이다.

[자료 2. 실리콘 화학구조]

출처 : ⓒ 23기 김예진

실리콘은 다음과 같은 다방면적인 장점을 가진다. 1. 내한/내열성이 우수하다. 2. 내후성(자외선, 오존, 열저항성)이 우수하다. 3. 표면장력이 낮다. 4. Si-O-Si는 탄력성이 있는 결합이다. 5. 이온불순물이 적다. 6. 기체 투과성이 크다. 7. 전기적 특성이 우수하다. 8. 난연성능이 있다. 덕분에 다양한 산업(자동차, 우주, 건축, 고무, 반도체, 전자소재)에서 인기 있는 소재이며, 저렴하고 친환경적이기 때문에 많은 기업에서 활발히 연구하고 있다. 또한, 구조적 안정성을 크게 잃지 않고도 여러 번 재활용할 수 있으며 오일 상태로 녹여 산업용 윤활유나 놀이터 바닥재 등으로도 업사이클링할 수 있다. 게다가 모래 기반인 실리콘은 플라스틱과 달리 자연으로 돌아갈 수 있다. 예로, PDMS(polydimethysiloxanes)는 매립된 후, 흙 속의 미네랄 성분의 촉매 작용에 의해 저분자량의 PDMS로 분해된 후, 생분해되어 최종적으로 PDMS는 CO2, SiO2 및 물로 분해된다.

[자료 3. PDMS 분해 과정]

출처 : KORAS

 

[실리콘 기반 친환경 열전 반도체 소재 개발에 성공한 포스텍]

실리콘 나노와이어는 소재 특성상 열전소자의 전기전도성을 향상시킬 수 있는 반면, 열전도도가 높아 열전효율이 낮다. 이를 극복하기 위해 포스텍은 DRIE(deep reactive-ion etcher)을 이용하여 실리콘 나노와이어의 표면을 물결 모양으로 만들어 나노와이어의 성능 지수를 크게 향상시켰다.

	VLS	MACE	DRIE
장점	나노와이어와 나노튜브 같은 1차원 결정 나노 구조로 만들 수 있다.	높은 종횡비(100이상), 다공성 및 고밀도, 거친 표면을 가진다.	나노와이어의 side wall 보호, 반복적인 passivation 및 에칭으로 높은 종횡비를 가진다. 표면이 균일하다.
단점	표면이 불균일하다.	나노와이어 번들 응집, 선택적 이온 주입, 불균일 하다.	높은 열전도도

[자료 4. VLS, MACE, DRIE 장단점]

출처 : ⓒ 23기 김예진

열전효율은 열전 성능지수인 ZT로 평가한다. ZT = S2σ/к (S:제백 계수, σ:전기전도도, к:열전도도)이며, 열전효율은 제백 계수, 전기전도도와 비례하고, 열전도도와 반비례한다. 열전효율을 높이기 위한 연구로는 대표적으로 VLS(Vapor-Liquid-Solid)와 MACE(metal assisted chemical etching), DRIE가 있다. VLS는 CVD(chemical vapor deposition)방법으로, 기판에 실리콘 나노와이어를 화학적으로 증착시키는 방법이다. MACE는 wet etching method로 귀금속 촉매를 이용한 산화환원반응이다. 마지막으로, 포스텍 연구실에서 사용한 DRIE는 화학적 반응과 플라즈마 에칭을 결합한 dry etching 방법이다. 에칭으로부터 실리콘 나노와이어의 side wall을 보호하기 위해 passivation(불포화 결함 방지 과정) 및 DRIE를 반복적인 주기로 가해서 기판을 깎아 물결 모양의 나노와이어를 만들었다. 추가로, lithography를 통해 매우 균일하고 잘 정렬된 NW(NanoWire)어레이를 형성했다.

[자료 5. DRIE로 SiNWs가 물결 모양을 형성하게 된 과정]

출처 : 포스텍

그렇다면, 물결 모양의 SiNWs가 어떻게 열전효율을 높일 수 있었던 것일까? 에너지가 가해지고 phonon끼리 충돌하게 되면 산란(scattering)이 발생하는데, 산란이 증가함에 따라 MFP(평균 자유 경로, 서로 다른 phonon이 충돌하지 않고 이동할 수 있는 평균 거리)를 감소시켜 열전도도 즉, 열 손실이 감소한다. 물결 모양의 실리콘 나노와이어는 후방 산란을 발생시켜 phonon의 이동을 방해해 열전도도를 감소시킴으로써 열전효율을 높인 것이다.

[자료 6. 물결모양 나노와이어 내의 발생하는 포논 후방 산란]

출처 : ZDNET Korea

공정을 거치고 난 물결 모양의 실리콘 나노와이어는 기존의 실리콘 나노와이어보다 열전도도가 약 30분의 1로 줄었으며, 열전 성능은 약 300배 향상됐다. 이상적인 미래의 재생에너지 기술인 ‘열전발전’을 효과적으로 이루기 위해선 열전소자의 효율을 높이기 위한 연구는 필수적이다. 포스텍의 연구는 실리콘의 한계를 극복하고 열전 반도체 대량생산과 상용화 가능성을 제시했기 때문에 추후 반도체 공정 적용에 큰 도움이 될 것이다.

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열전소자 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "열전이 뭐야? : 에너지 하베스팅 기술의 유용한 에너지 원천", 15기 김상재, https://renewableenergyfollowers.org/2695

열전이 뭐야? : 에너지 하베스팅 기술의 유용한 에너지 원천

2. "버려지던 폐열, 그 화려한 변신!", 18기 최별, https://renewableenergyfollowers.org/3187

버려지던 폐열, 그 화려한 변신!

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참고문헌

[열전발전에 의한 에너지 하베스팅]

1) HRS 홈페이지, "실리콘 정의", https://www.hrssilicone.com/_mobile/silicon/silicon1.php

2) Hyeongseok Yoo, "Enhanced thermoelectric figure of merit in highly-doped silicon nanowires via a corrugated surface modulation", Nano Energy, Volume 118, Part B, 15 December 2023.

3) ICEPIPE 홈페이지, "열전발전시스템", https://icepipeled.com/?page_id=8159

[열전소자의 친환경 소재, 실리콘]

1) 노영환, “실리콘 재활용을 위하여”, 토탈미디어그룹, 2022.01.24., https://www.plastickorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=21400

2) Hyeongseok Yoo, "Enhanced thermoelectric figure of merit in highly-doped silicon nanowires via a corrugated surface modulation", Nano Energy, Volume 118, Part B, 15 December 2023.

[실리콘 기반 친환경 열전 반도체 소재 개발에 성공한 포스텍]

1) 한세희, “포스텍, 실리콘 기반 친환경 열전 반도체 소재 개발”, ZDNET Korea, 2023.11.23.,https://zdnet.co.kr/view/?no=20231123094452

2) Hyeongseok Yoo, "Enhanced thermoelectric figure of merit in highly-doped silicon nanowires via a corrugated surface modulation", Nano Energy, Volume 118, Part B, 15 December 2023.