열을 전기로 전환하는 열전 혁신, 스마트 디바이스용

최근 연구¹인 Dr. Fabian Garmroudi와 국제 연구팀은 수십 년 만에 가장 중요한 열전 기술 발전 중 하나의 문을 열었습니다. 이 논문은 다양한 재료에 대한 팀의 연구와 이를 통해 열 및 전기 분리를 성공적으로 향상시킨 과정을 자세히 다룹니다. 알아야 할 핵심 내용은 다음과 같습니다.

열전 재료가 열을 전달하는 방식

열전소자는 다른 물질 형태와 비교했을 때 독특합니다. 전통적으로 열 에너지는 이동 전하 운반자와 결정 격자 내 원자 진동을 통해 전달됩니다. 후자는 원자들이 동일한 위상 관계를 유지하며 서로 진동하는 것을 의미합니다.
특히, 열을 빠르게 전달할 수 있는 재료를 전도체라고 합니다. 금속은 열 전도체의 대표적인 예입니다. 금속 막대를 가열한 뒤 다른 금속 조각 옆에 놓으면, 전하를 띤 원자와 격자 진동이 빠르게 에너지를 전달합니다. 순수한 다이아몬드는 가장 높은 열전도율을 가진 재료로 알려져 있습니다.

열전 재료란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

열전 재료는 전기를 잘 전도하지만 열은 잘 전도하지 않는다는 점에서 기존 재료와 다릅니다. 열 전달 능력이 낮기 때문에 뛰어난 단열재 역할을 합니다.
열전 재료가 이 역할을 수행하는 주요 방법은 전하와 열 전달을 분리하려는 시도입니다. 오늘날 이러한 재료는 첨단 전자기기, 냉각 및 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다.

열전 기술의 역사: 세베크에서 오늘까지

초고속 냉각, 냉동 및 고급 전자기기의 여정은 여러 시작점이 있습니다. 1821년, 토마스 요한 세베크는 놀라운 발견을 했습니다. 그는 특정 금속이 온도 차이가 있을 때 서로 가까이 놓이면 전류를 생성한다는 것을 확인했습니다.
이 발견은 장 샤를 아타나제 펠티에가 이 효과가 설정에 따라 가열 및 냉각 모두를 일으킬 수 있음을 입증하면서 이어졌습니다. 이러한 계시는 오늘날의 첨단 열전 재료와 제조 공정의 문을 열었습니다.

현대 열전 재료: 현재 산업 표준

현재 가장 널리 사용되는 열전 재료는 회색 분말인 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3)입니다. 이 화합물은 1950년대에 개발되어 지난 70년 이상 산업 표준으로 자리 잡았습니다. 오늘날 Bi2Te3 기반 시스템은 상용화된 유일한 옵션입니다.

오늘날 열전 재료가 직면한 과제

이러한 상황은 혁신 속도를 다소 늦추었습니다. 첫째, 텔루륨은 희귀 광물로 확보가 어렵고 비용이 많이 듭니다. 또한, 이 재료들은 깨지기 쉬워 부품이 쉽게 손상될 수 있습니다.

열전 재료 제조 방법: 제조상의 과제

이 접근법의 또 다른 큰 단점은 비용이 높다는 것입니다. 극히 낮은 열전도성을 가진 열전 재료를 설계·제조하기 위해 필요한 정교한 방법은 추가 도입을 가로막는 요인으로 남아 있습니다.

열전소자에서 전기 전달 문제 해결

주요 문제 중 하나는 격자 기반 열 전달을 억제하려는 기존 시도들이 전하 이동성을 감소시켰다는 점이었습니다. 따라서 이러한 노력은 최근까지 무의미했습니다. 이제 창의적인 연구팀이 전기 전달을 감소시키지 않으면서 격자 진동을 억제하는 핵심을 발견했다고 믿고 있습니다.

혁신적인 열전 연구: 열과 전하 분리

‘Fe2VAl 복합 열전소자에서 전하와 열 전달을 분리하는 연구 (위상 절연 입계 네트워크 포함)’는 Nature Communications 저널에 게재된 연구로, 하이브리드 재료, 새로운 제조 공정 및 열·전기 분리를 달성하기 위한 혁신적인 설계를 소개합니다.
팀은 이전 연구자들과 달리 Heusler 입자 사이에 화학적·구조적으로 다른 Bi1−xSbx를 2차 상으로 통합하려는 접근법을 선택했습니다. 이 과정은 액상 소결(liquid-phase sintering)이라는 방법을 사용해 전형적인 위상 절연체인 Bi1−xSbx를 Fe2V0.95Ta0.1Al0.95 입자 사이에 통합합니다.

이 접근법은 열 전달을 감소시키려는 시도가 전기 이동성을 손상시키는 전통적인 트레이드오프를 피합니다.

다중상 복합체를 이용한 하이브리드 열전 재료

연구의 핵심은 하이브리드 재료의 제작입니다. 이러한 다중상 복합체는 기계적 특성은 다르면서 전자적 특성은 유사하게 작동하기 때문에 이 작업에 이상적입니다. 첫 번째 재료(Fe2V0.95Ta0.1Al0.95)는 철, 바나듐, 탄탈럼, 알루미늄 합금 분말을 결합합니다.
혼합물의 두 번째 재료(Bi0.9Sb0.1)는 비스무트와 안티모니 분말로 구성됩니다. 이 구조는 위상 절연체 상을 형성합니다. 위상 절연체 상은 독특한 양자 물질 군으로, 내부는 절연하면서 표면에서는 손실 없는 전하 전달이 가능합니다.

온도가 열전 복합체 성능에 미치는 영향

공정은 유도 용해로에서 재료를 가열하는 것으로 시작되었습니다. 이를 통해 재료를 합성하고 분말로 분쇄할 수 있었습니다. 연구자는 분말을 다시 분쇄한 뒤 1373 K에서 소결하면서 두 재료를 다시 혼합했습니다. 이 단계에서 Bi0.9Sb0.1이 녹아 입자를 코팅했습니다.
이 과정은 입계 상을 형성하며, 이는 연구 결과에 이상적입니다. 특히, 재료들은 원자 수준에서 섞이지 않습니다. 대신 BiSb 재료가 FeVTaAl 합금 결정 사이의 마이크로미터 크기 인터페이스에 침착되어 견고한 열전 재료와 인상적인 성능을 제공합니다.

격자 진동을 방해해 열 전달 감소

연구자들이 주목한 주요 점 중 하나는 새로운 재료가 다른 재료와 매우 다른 격자 구조를 가지고 있다는 것이었습니다. 이러한 층 간 차이가 커서 열 진동이 결정 격자를 효과적으로 전달하지 못했습니다. 이 설계는 전체 표면에서 열 진동을 효과적으로 감소시킵니다.

열전 재료의 전기 이동성 향상

팀은 전하 운반자 수가 증가했음을 또한 확인했습니다. 두 재료가 유사한 전하 운반자 특성을 가지고 있어 손실이 감지되지 않았습니다. 흥미롭게도 성능 향상이 예상치 못하게 기록되었으며, 이는 해당 재료가 뛰어난 열전 특성을 가지고 있음을 나타냅니다.

신규 열전 재료 성능 테스트

연구의 설계 단계는 일본 국립재료과학연구소에서 수행되었습니다. 팀은 구조 조사 등을 포함한 여러 심층 테스트를 진행하여 새로운 설계가 다양한 상황에서 어떻게 견디는지 확인했습니다.
팀은 또한 연구의 일환으로 광범위한 열전 및 자기 수송 측정을 수행했습니다. 미세구조의 변형이 넓은 온도 및 자기장 범위에서 홀 효과에 영향을 미친다는 것을 확인했습니다.

결과: 향상된 열전 효율 및 안정성

시험 결과, 해당 재료는 뛰어난 열전 특성을 보였습니다. 전반적으로 격자 열전도성을 성공적으로 감소시켰으며, 전하 이동성도 향상되었습니다. 이러한 성과는 입계에 따라 위상적으로 보호된 전하 전달을 통합한 설계 덕분입니다.
엔지니어들은 새로운 설계에서 성능 향상과 효율 증대를 기록했습니다. 이는 특정 재료가 전하 전달을 손상시키지 않으면서 열 전달을 목표로 할 수 있음을 입증했습니다. 특히, 장치의 성능이 이전 시도보다 100% 향상되었습니다.

신규 열전 기술의 주요 장점

이 연구가 시장에 제공하는 혜택은 다양합니다. 첫째, 풍부하게 존재하는 지구 자원을 활용합니다. 이러한 접근법은 추가 연구와 연구 수행의 문을 엽니다.
또한 비용을 억제하면서 재료를 미래 수요에 맞게 확대할 수 있음을 보여줍니다. 열전소자는 제조가 어려우며 섬세한 특성을 가지고 있습니다. 이 새로운 옵션은 기존 산업 표준에 비해 더 견고하고 진입 비용이 낮습니다.

열전소자의 물질 안정성 및 재활용성

이 연구의 또 다른 큰 장점은 지속적인 폐기물을 남기지 않고 열전소자를 구현하는 방법을 제시한다는 점입니다. 모든 재료가 풍부한 지구 자원으로 구성되어 환경 오염을 크게 일으키지 않는 방식으로 조합되었기 때문에 재활용성이 뛰어납니다.

열전소자의 실제 적용 사례 및 상업화 일정

이 기술은 무한한 적용 가능성을 가지고 있습니다. 열전소자는 전 세계가 순탄소 제로 목표를 달성하고 보다 지속 가능한 삶을 구현하는 최고의 방법 중 하나로 여겨집니다. 이 발견은 자율적인 에너지 공급을 창출하는 문을 열었습니다. 다음은 이 기술의 다른 주요 적용 사례입니다.

열전소자와 사물인터넷(IoT)

사물인터넷은 전 세계 수십억 개의 스마트 디바이스를 포함합니다. 이 방대한 센서 네트워크는 연구 결과를 활용해 자가 지속 가능한 에너지원을 만들 수 있습니다. 이러한 능력은 IoT의 채택과 활용성을 한 단계 끌어올릴 것입니다.

우주 탐사 및 위성에서의 열전 재료

열전소자는 미래 우주 탐사자들이 전력을 유지하는 주요 수단입니다. 이러한 시스템은 우주에서 발견되는 극한의 열이나 냉기를 전력으로 변환하여 이동, 보호 및 미래 우주 탐사자의 삶을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다.

지속 가능한 스마트 홈에서 열전소자 활용

열전소자는 미래에 가정에 전력을 공급할 수 있습니다. 외부가 뜨거워도 에어컨이나 선풍기를 가동하지 않고 집이 시원하게 유지되는 모습을 상상해 보세요. 건축업자들은 이러한 재료를 에너지 소모가 훨씬 적은 지속 가능한 주택을 만드는 방법으로 계속 인식하고 있습니다.

열전 재료가 주류가 되려면 언제인가요?

이 기술이 시장에 진입하기까지는 5년 이상이 걸릴 수 있습니다. 과학적 기반은 마련됐지만, 산업 규모가 방대하고 더 많은 옵션을 탐색해야 할 필요성 때문에 엔지니어들이 상업적으로 실현 가능한 수준으로 최적화했다고 느끼기까지는 아직 몇 년간의 연구가 필요합니다.

열전소자 연구자들

Fabian Garmroudi가 이끄는 국제 연구팀이 열전소자 연구를 가능하게 했습니다. 이 연구는 로스앨러모스 국립연구소(미국)를 포함한 다양한 권위 있는 교육 기관들의 지원을 받았습니다. 또한 팀은 일본 국립재료과학연구소에서 새로운 하이브리드 재료를 개발했습니다. 프로젝트는 Lions Award를 통해 재정 지원을 받았습니다.

열전 기술의 미래

열전소자의 미래는 밝습니다. 이번 연구팀은 현재 비스무트 텔루라이드 기반 상용 화합물과 경쟁할 수 있는 열전 재료 개발에 집중하고자 합니다. 또한 Bi2Se3와 같은 다른 위상 절연체를 연구할 계획이라고 밝혔습니다.

열전자 부문 투자

많은 기업이 열전소자 부문에서 주도권을 놓고 경쟁하고 있습니다. 컴퓨팅 파워와 이동 수요가 증가함에 따라 이 시장의 수요는 지속적으로 성장하고 있습니다. 이들 기업은 열전소자 및 기타 친환경 에너지 옵션 탐구에 상당한 노력을 기울이고 있습니다. 다음은 최신 열전소자 연구의 혜택을 받을 수 있는 이상적인 기업입니다.

TTM Technologies Inc. 

TTM Technologies Inc. (TTMI )는 1998년에 시장에 진입했습니다. 켄트 알더가 설립했으며 원래 워싱턴에서 시작되었습니다. 1999년에 이 회사는 경쟁사를 인수하기 시작했습니다. Pacific Circuits, Inc.를 인수하면서 회사는 캘리포니아로 사업을 이전했습니다.

오늘날 TTM Tech는 선도적인 PCB 보드 제조업체입니다. 특히 북미에서 가장 큰 규모이며 미국 군에 보드를 주요 공급하고 있습니다. 현재 16,400명 이상의 직원을 보유하고 있으며 지난 해 작업량이 크게 증가했습니다.

흥미롭게도 TTMI 주식은 세계 최대 투자 기업들의 강력한 지원을 받고 있습니다. 예를 들어, BlackRock (BLK ) 은 회사 주식의 약 17%에 해당하는 18,299,780주를 보유하고 있습니다. 이러한 요인과 회사의 혁신 역사가 결합되어 TTMI는 주목할 만한 견고한 주식이 됩니다.

TTM Technologies 최신 뉴스

열전소자: 에너지 변환의 차세대 쿨 테크

열전소자 분야는 활기를 띠고 있으며, 이번 최신 개발은 추가 혁신을 촉진할 것입니다. 이러한 독특한 재료는 인간의 범위와 이해를 확장하는 데 필수적이며, 따라서 열 완화가 필요한 미래 기술에서 중요한 역할을 지속적으로 수행할 것입니다.

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참조 연구:

^{1. Garmroudi, F., Serhiienko, I., Parzer, M., Ghosh, S., Ziolkowski, P., Oppitz, G., Nguyen, H. D., Bourgès, C., Hattori, Y., Riss, A., Steyrer, S., Rogl, G., Rogl, P., Schafler, E., Kawamoto, N., Müller, E., Bauer, E., de Boor, J., & Mori, T. (2025). Fe₂VAl 복합 열전소자에서 전하와 열 전달을 분리하는 연구 (위상 절연 입계 네트워크 포함). Nature Communications, 16(2976). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57250-6}