에너지연, 산화물 금속화층 기반 '초고신뢰성 중고온 열전소자' 성공

한국에너지기술연구원 박상현 박사 연구팀이 우주탐사선의 핵심요소인 '신뢰성 높은 열전소자' 개발에 성공했다. 기존 기술은 티타늄을 사용, 장기적 안정감이 떨어졌지만 연구팀은 인듐주석을 활용해 기존 문제를 해결했다.<사진= 한국에너지기술연구원>
한국에너지기술연구원 박상현 박사 연구팀이 우주탐사선의 핵심요소인 '신뢰성 높은 열전소자' 개발에 성공했다. 기존 기술은 티타늄을 사용, 장기적 안정감이 떨어졌지만 연구팀은 인듐주석을 활용해 기존 문제를 해결했다.<사진= 한국에너지기술연구원>
과학선진국들의 우주시장 경쟁이 치열한 가운데 국내 연구진이 우주탐사선의 핵심 요소인 신뢰성 높은 '열전소자' 개발에 성공했다. 기존에는 티타늄(Ti) 기반 금속화층으로 장기간 안정적 동작이 어려웠던 반면, 연구팀은 인듐주석을 활용해 성능저하 없이 안정적으로 동작할 수 있도록 했다. 

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 박상현 에너지네트워크연구실 박사 연구팀이 기존 중고온 열전소자의 한계를 극복할 수 있는 산화물 금속화층을 기반으로 '초고신뢰성 중고온 열전소자' 개발에 성공했다고 23일 밝혔다.

열전소자는 열에너지를 전기로 변환하는 에너지 소자. 열을 가하면 전기를 생성하고 전기를 가하면 흡열 반응을 하는 특성이 있어 온도계나 냉각 장치 등에 사용된다. 무엇보다 동작온도가 300~700도인 중고온 열전소자는 1950년대부터 미국 NASA에서 우주탐사선 적용 목적으로 '방사성 동위원소 열전발전기(RTG)' 시스템을 개발하면서 연구가 시작돼 우주산업의 핵심 기술로 알려진다.

그러나 기존 중고온 열전소자 기술은 티타늄(Ti) 같은 고융점의 금속소재를 이용해 금속화층을 만들었다. 이는 작동 온도가 300~700도로 높아 장기간 안정적으로 동작하기 어려웠다. 특히 열전소재와 전극을 연결해주는 계면인 금속화층은 고온에서 열팽창과 수축이 반복되며 균열이 발생, 소자가 파손되기 쉬운 문제가 있다. 파손되지 않더라도 고온에서 장기간 동작 시 금속화층을 통한 확산이 일어나 열전 소자의 열화, 성능저하로 이어지기 쉽다.

연구팀이 개발한 산화물 금속화층 기술은 고온에서 금속보다 상대적으로 안정한 전도성을 보이는 인듐주석 산화물을 열전소자 표면에 적용했다. 이를 통해 기존의 한계인 열화 문제를 최소화하고 낮은 접촉저항의 우수한 특성도 달성했다.

특히 소자의 장기 신뢰성을 테스트한 결과 500도까지의 열반복 실험에도 출력저하가 거의 없는 우수한 성능을 보였다. 또 산화물 금속화층 소자는 기존 대비 80%정도 열화를 억제하는 탁월한 안정성이 확인됐다. 연구팀에 의하면 기존 기술인 티타늄 기반 열전소자는 출력이 감소하는 경향이 있었던게 사실이다.

박상현 책임연구원은 "이번에 개발된 산화물기반 중고온 열전소자 기술은 우주산업에서 요구하는 40~50년 동안 지속 동작이라는 초고신뢰성의 에너지 발전 시스템을 충족시켜줄 수 있는 핵심 요소 기술"이라면서 "국내 기술로 개발돼 한국형 우주산업용 열전소자를 목표로 하는 후속 연구에 집중한다면 중국 우주산업을 따라잡고 더 나아가 기술을 선도할 수 있는 기회가 될것"이라고 연구 의의를 설명했다.

이번 성과는 에너지 분야 저널인 어플라이드 에너지 머티리얼즈 (ACS Applied Energy Materials) 에 지난 2월 게재돼 학술적 가치를 인정받았다.
 

저작권자 © 헬로디디 무단전재 및 재배포 금지