전자기기의 에너지 하베스팅을 위한 열전 나노 소재
글/ 리암 크리츨리(Liam Critchley), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
(출처: LIPO@SEXTAO22 /stock.adobe.com; AI로 생성)
전자기기가 더 작아지고 성능은 더 강력해지는 방향으로 발전하면서, 에너지 효율은 혁신을 이끄는 핵심 요소가 되고 있다. 기기가 소형화되고 기능 범위가 확장될수록 발생하는 열도 증가한다. 전통적으로는 단순한 폐열로 취급되던 이 열이 이제 열전 기술을 통해 에너지로 전환되며 전자기기에 활용되고 있다. 이러한 변화의 중심에는 열전 나노 소재가 있으며, 이 미세한 구조들은 웨어러블, 원격 센서, 자율 시스템과 같은 새로운 애플리케이션을 가능하게 하고 있다. 이번 글에서는 열전 나노 소재의 기능을 살펴보며, 이 기술이 더 똑똑하고 지속 가능한 전자기기로 가는 길을 어떻게 열고 있는지 알아본다.
열전 효과: 열을 전기로 변환하는 메커니즘
열전 소자는 열전 효과로 알려진 현상을 통해 열을 직접 전기로 변환한다. 이 효과는 서로 연관된 세 가지 메커니즘에 의해 결정된다.
• 제벡 효과(Seebeck effect): 재료 내에 온도 차가 존재할 때 전압이 발생한다.
• 펠티에 효과(Peltier effect): 전류가 흐를 때 두 재료의 접합부에서 열이 흡수되거나 방출된다.
• 톰슨 효과(Thomson effect): 온도 구배가 존재하는 도체를 전류가 흐를 때 전류 경로를 따라 열이 생성되거나 흡수된다.
열전 효율은 재료의 제벡 계수, 전기 전도도, 열 전도도에 의해 결정된다. 전기 전도도가 높고 열 전도도가 낮은 재료가 이상적이며, 이는 전기 생성 효율을 극대화하는 동시에 열 손실을 최소화하기 때문이다.
산업용 폐열 회수부터 우주선 전력 공급, 휴대용 전자기기, 센서, 냉각 장치, 전력 생성 시스템에 이르기까지 벌크 재료가 오랫동안 열전 시스템에 사용돼 왔다. 그러나 나노 소재는 특히 소형화되거나 특수 용도의 애플리케이션에서 판도를 바꾸는 핵심 기술로 부상하고 있다.
나노 소재가 판도를 바꾸는 이유
나노 소재는 벌크 재료와는 다른 방식으로 거동하며, 이는 나노 스케일에서 양자 효과가 지배적으로 나타나기 때문이다. 이러한 양자 효과는 나노 소재가 벌크 재료에서는 불가능한 방식으로 열과 전하의 이동을 제어하도록 만들어 준다. 예를 들어, 나노 소재는 열 전달과 전자 전달 특성을 분리하거나 조절할 수 있어 고성능 열전 재료 개발에 유리하다.
특히 1차원 나노와이어, 2차원 시트와 같은 저차원 나노 소재는 최소 한 방향에서 전자의 움직임이 제한되는 양자 구속 현상을 보인다. 이 구속은 불연속적인 에너지 밴드를 형성하며, 재료의 상태 밀도 분포를 변화시켜 전기 전도도를 유지하면서도 제벡 계수를 향상시키는 데 기여한다. 이러한 불연속적인 에너지 밴드는 열전 성능을 결정하는 핵심 요소인 상태 밀도를 높여 주며, 나노 소재가 고효율 열전 재료로 주목받는 이유가 되고 있다.
열 전달 측면에서 나노 소재는 음향자(phonon)를 선택적으로 효율적으로 산란시키는 데 뛰어난 성능을 보인다. 음향자는 재료 내부의 원자 진동과 관련된 준입자로, 열 전달에 중요한 역할을 한다. 나노 소재는 이러한 음향자를 효과적으로 산란시켜 전기 전도도에는 영향을 주지 않으면서 재료의 열 전도도를 낮춘다. 1차원 재료에서의 엄클랍(Umklapp) 산란이나 2차원 재료에서의 표면 산란, 가장자리 효과와 같은 특화된 메커니즘은 이러한 특성을 더욱 강화한다. 열전 효율은 열 전도도가 낮을수록 향상되기 때문에, 이러한 특성은 나노 소재가 특히 매력적인 열전 재료가 되도록 만든다.
새롭게 부상하는 열전 나노 소재
제조 공정과 에피택시 성장 기술의 발전으로 디자이너들은 이제 열전 소자에 맞춰 다양한 나노 소재를 설계할 수 있게 되었다. 상용 분야에서는 여전히 벌크 재료가 주류이지만, 연구 및 특수 용도 애플리케이션에서는 나노 소재의 활용이 점차 확대되고 있다.
유망한 1차원 나노 소재로는 탄소 나노튜브(CNT), 실리콘 나노튜브, 비스무트 텔루라이드 나노와이어, 실리콘-저마늄 나노와이어 등이 있다. 이들 소재는 낮은 열 전도도와 우수한 전기적 성능을 동시에 제공해 소형 열전 소자에 적합한 특성을 갖추고 있다.
2차원 소재 가운데에서는 그래핀이 두드러지지만, 본래 열 전도도가 매우 높기 때문에 열전 용도로 사용하려면 반드시 구조적 또는 화학적 수정이 필요하다. 이 밖에도 흑린(black phosphorus), 전이 금속 칼코겐화합물(TMDC), 막센(MXene), 그리고 14~16족 원소 기반의 층상 화합물 등이 유력한 후보군으로 주목받고 있다.
단일 소재의 영역을 넘어, 디자이너들은 나노 소재를 박막, 전도성 고분자, 코팅 등에 통합해 기존 열전 시스템의 성능을 향상시키고 있다. 균일한 형상과 조절 가능한 특성을 갖춘 나노결정 또한 열전 성능을 정밀하게 최적화할 수 있는 또 다른 가능성을 제시한다.
현대 전자기기에서의 열전 나노 소재 응용
열전 나노 소재는 열을 전기로 변환하는 열전 발전기(TEG)의 핵심 구성 요소로 사용된다. TEG는 기존 전원 공급 방식이 적합하지 않은 원격 센서나 전원 인프라가 없는 사물인터넷(IoT) 시스템 같은 소형 무선 기기를 구동하는 데 특히 유용하다.
나노 소재 기반 또는 나노 소재로 성능이 향상된 열전 소자는 현재 벌크 열전 소자가 사용되는 다양한 분야에서 높은 잠재력을 보여준다. 이러한 분야에는 다음과 같은 응용이 포함된다.
• 자동차 배기열을 전기로 전환해 연비를 향상시키는 기술
• 전자기기의 열 관리를 지원하는 시스템
• 우주 환경에서 방사성 동위원소의 붕괴열을 전기로 변환해 우주선을 구동하는 기술
• 산업 공정에서 발생하는 잉여 열을 전기로 전환해 현장에서 다시 사용하는 방식
• 전통적인 전원 공급이 어려운 군사용 또는 원격 모니터링 센서에 전력을 공급하는 기술
• 휴대용 전자기기에서 발생하는 열을 회수해 전력 사용 효율을 높이는 방식
보다 전통적인 응용 분야와 더불어, 나노 소재의 작은 크기와 독특한 특성은 이를 더 특수한 용도에도 활용할 수 있게 한다. 한 가지 예는 나노 소재와 나노 소재 기반 박막을 유연하거나 착용형 기기에 적용하는 것으로, 이러한 재료는 착용자의 움직임에 맞춰 구부러져도 성능 저하가 발생하지 않는다. 나노 소재 기반 열전 발전기(TEG)는 체열만으로 동작하는 자가 발전형 헬스 모니터, 피트니스 트래커, 기타 웨어러블 기기를 위한 전원 공급원으로 활용될 수 있다.
또 다른 흥미로운 분야는 광검출이다. 제벡 효과에서 파생된 광열전 효과를 기반으로 동작하는 광검출기는 흡수한 빛으로부터 전기 신호를 생성한다. 나노 소재 기반 TEG는 이러한 소형 광검출기를 구동하기에 적합하며, 특히 소형·자가 발전 시스템이 필수적인 원격 센싱, 환경 모니터링, 야간 투시, 천문 관측 등의 분야에서 높은 잠재력을 보인다.
맺음말
열전 나노 소재는 웨어러블 기기와 IoT 시스템부터 산업용 장비와 우주 탐사에 이르기까지 현대 전자기기를 위한 더욱 효율적이고 소형화된 지속 가능한 전력 솔루션을 가능하게 하고 있다. 모든 분야에서 벌크 열전 재료를 완전히 대체하지는 않겠지만, 나노 소재는 특히 IoT, 원격 센싱, 자가 발전 전자기기처럼 빠르게 성장하는 분야에서 중요한 역할을 맡게 될 것으로 보인다. 제조 기술이 계속 발전함에 따라, 작지만 강력한 이 소재들은 더욱 혁신적인 방식으로 활용될 것으로 기대된다.
저자 소개
리암 크리츨리(Liam Critchley)는 화학과 나노기술을 전문으로 하며, 분자 수준의 기본 원리가 다양한 응용 분야에 어떻게 적용될 수 있는지 다루는 작가이자 저널리스트, 커뮤니케이터이다. 그는 복잡한 과학 주제를 과학자와 비전문가 모두에게 알기 쉽게 설명하는 정보 중심의 접근 방식으로 잘 알려져 있다. 리암 크리츨리는 화학과 나노기술이 교차되는 다양한 과학 분야와 산업 분야에서 350편 이상의 기사를 발표했다.
리암 크리츨리는 유럽의 나노기술 산업 협회(NIA)에서 수석 과학 커뮤니케이션 책임자로 활동하고 있으며, 지난 몇 년 동안 전 세계의 기업, 협회, 미디어 웹사이트를 대상으로 글을 작성해 왔다. 작가가 되기 전 그는 나노기술을 접목한 화학 분야와 화학공학 분야에서 석사 학위를 취득했다.
글쓰기 외에도 그는 미국의 내셔널 그래핀 협회(NGA), 글로벌 조직인 나노기술 월드 네트워크(NWN)에서 자문 위원으로 활동하고 있으며, 영국 기반의 과학 자선단체인 글램사이(GlamSci)의 이사회 구성원이다. 또한 영국 나노의학회(BSNM)와 국제고급소재협회(IAAM) 회원이며, 여러 학술지의 피어 리뷰어로도 참여하고 있다.