반도체나노소재연구실 (성윤모교수 지도, http://snl.korea.ac.kr) 김민석박사 (현, KIST 연구원), 조기현박사 (현, 포스트닥연구원), 이우진 연구원 (현, 현대동차연구원)은 지난 5년여간의 나노소재 연구개발을 통하여 n-type 반도체 중 세계최고의 성능지수 (ZT)를 보이는 PbTe-PbSe계 열전소재를 개발하는 데 성공하였다. 열전소재는 태양열, 지열, 수열, 공장폐열, 자동차폐열, 방사선동위원소, 체온 등의 열을 전기로 바꾸어주는 차세대 에너지소재로 열전소재를 이용하여 전기를 생산하려면 n-type 열전소재와 p-type 열전소재가 공히 높은 성능지수를 보여한다. 현재까지 p-type에서는 높은 성능지수 (ZT~2)를 보이는 열전소재가 개발 된 반면에 n-type에서는 그 개발이 미미한 상황 (ZT~1.2)이었다. 반도체나노소재연구실에서는 세계최초로 상분리된 50 nm 급 PbTe-PbSe 나노분말을 합성하였고 이를 Spark Plasma Sintering (SPS)이라는 순간소결 공정을 이용 상분리된 수백 nm 나노미터 미세결정립의 n-type 열전소재를 개발하는데 성공하였다. 그 결과 현재까지 보고된 n-type 열전소재 중 가장 높은 성능지수 ZT~1.85 (열전발전효율 >15%에 해당)를 보이는 것이 입증되었고 향후 열전소재 연구개발에 큰 방향을 제시한 것으로 평가된다. 본 연구는 김민석박사의 박사학위 주제였으며 한국연구재단과 지식경제부에서 5년여간 연구비 지원을 받은 바 있고 연구결과는 미국화학회 ACS Nano 7월호에 게재되었다.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b03696
현재 반도체나노소재연구실에서는 열전소재연구 이외에 조기현박사 주도로 무한한 에너지원인 태양광만을 이용 물을 수소와 산소로 분해하여 청정에너지원인 수소를 생산해내는 나노구조 광촉매전극 개발에 집중하고 있다.
<합성된 PbTe-PbSe 나노분말>
<소결된 PbTe-PbSe 열전소재>