- 기존 내화 전도성 소재와 달리 공기 중 1,000℃ 고온에서도 산화되지 않고 성능 유지

- 우주·항공, 열광 발전(TPV) 등 광범위한 극한 환경에서 활용 기대

열복사는 온도를 지닌 모든 물체에서 방출되는 전자기파로 지구로 유입되어 온실효과를 발생시키는 태양 복사 스펙트럼이 대표적이다. 태양광, 화력 발전, 산업 현장에서 발생하는 열에서 방출되는 열복사 에너지를 제어해 활용하면 전력 생산비용을 절감할 수 있어 냉각, 방열, 에너지 생산 등의 분야에서 복사 스펙트럼 제어 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 지금까지 복사 스펙트럼을 제어하는 기술은 일반적인 환경 조건에서 주로 이루어졌으나, 최근 우주 및 항공, 열광 발전(TPV) 등 극한 환경을 견딜 수 있는 소재가 필요하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 나노포토닉스연구센터 김종범 선임연구원 팀이 공기 중 1,000℃의 고온과 강한 자외선이 있는 환경에서도 광학적 특성을 유지하는 복사 스펙트럼 제어용 내화성 소재를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 란타넘이 도핑된 주석산염(이하 “LBSO”)을 레이저 증착법을 통해 격자 변형이 없는 나노 단위의 얇은 박막 형태로 제작했다. LBSO 소재는 고온에서 산화되는 텅스텐, 니켈, 질화 티탄늄 등 기존 내화 전도성 소재들과 달리 1,000℃의 고온과 9 MW/cm2의 강한 자외선 빛에 노출됐을 때도 성능을 유지했다. 이후 LBSO 소재로 적외선 대역의 파장만을 선택적으로 방출할 수 있는 다층 박막 구조 기반의 열 복사체를 제작해 실험한 결과, 복합적인 구조에서도 박막 형태일 때와 마찬가지로 열과 빛에 대한 안정성을 가져 열광전지(TVP) 발전 기술로의 적용 가능성을 확인했다. LBSO 소재를 사용하면 공기와 만나 산화하는 것을 막기 위한 추가적인 조치 없이도 열복사를 열광 전기 셀에 전달할 수 있다.

KIST 김종범 선임연구원은 “날씨에 따라 전기 생산량이 달라지는 태양광이나 풍력 재생에너지의 대안으로 태양열 및 고온 환경에서 방출되는 복사에너지를 활용해 전력을 생산하는 친환경 열광 발전 기술이 주목받고 있다”라면서, “LBSO 소재로 열광 발전의 상용화를 앞당겨 기후변화 및 에너지 위기 대응에 기여할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

연구진은 LBSO 소재가 열광 발전 기술이나 산업용 장비에서 발생하는 폐열을 재활용하는 기술뿐 아니라, 자외선 노출에도 강한 내구성을 보인다는 점에서 우주·항공과 같이 극한의 환경에서 강한 태양 빛의 노출과 흡수로 발생하는 열을 관리하는 기술에도 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 정보통신‧방송 기술개발사업 및 표준개발지원사업(RS-2023-00223082)과 KIST 미래원천연구사업으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Science」(IF: 15.1, JCR(%): 6.2)에 11월 23일 게재*되었다.

* 논문명 : Perovskite Lanthanum-Doped Barium Stannate: A Refractory Near-Zero-Index Material for High-Temperature Energy Harvesting Systems

[그림 1] LBSO 열 방사체의 TPV 에너지 변환 기술 활용에 관한 모식도

LBSO 열 방사체가 TPV(Thermophotovoltaic, 열광전지) 기술에 적용되었을 때 가지는 효과를 모식도로 표현함. 일반적인 흑체는 열을 흡수하면 매우 넓은 파장대역으로 복사에너지를 방출하는데, 이 경우 TPV 셀에서 활용할 수 없는 파장의 복사 에너지가 포함되기 때문에 그 효율이 떨어진다. 하지만 LBSO 열 방사체를 적용할 경우 TPV 셀이 가장 높은 효율을 가지는 파장대역에 맞추어 선택적으로 열을 방사할 수 있으므로 에너지 발전 효율이 높아진다. 

[그림 2] LBSO 박막과 LBSO 열 방사체의 열 내구성

(위) LBSO 박막의 결정구조 및 열처리 전/후의 광학 특성 변화. LBSO와 유사한 특성의 금속 산화막 소재인 ITO와 AZO는 400도 이하의 온도에 노출되면 플라즈마 주파수 및 감쇠계수를 비롯한 광학 특성의 변화가 발생하지만, LBSO 경우에는 1000도에서도 안정적인 성능을 유지하는 것을 확인함

(아래) LBSO 포함한 다층 구조의 단층 전자현미경 사진과 결정구조. 열 방사체는 박막과 유사하게 공기 중에서 고온 및 강한 자외선 레이저 노출에도 특성 변화가 매우 적음을 확인함.

[그림 3] LBSO 박막의 열처리 전, 후 표면 변화

각 온도, 레이저 세기 별 열처리를 진행하였을 때 박막 표면 변화. 표면의 경우 미세한 나노구조물이 형성되는 것을 확인하였으나, 소재의 선형적인 광학 특성에는 영향을 주지 않음을 실험적으로 확인함. 반도체 소재의 경우 밴드갭보다 높은 에너지의 자외선의 빛을 흡수하는데, 매우 강한 자외선의 빛을 흡수하면 소재의 특성 변화가 발생하게 된다. 하지만 LBSO 소재는 박막이 식각될 만큼 강한 빛을 조사하여도 특성에는 변화가 없음을 실험적으로 확인함.

○ 논문명: Perovskite Lanthanum-Doped Barium Stannate: A Refractory Near-Zero-Index Material for High-Temperature Energy Harvesting Systems

○ 학술지: Advanced Science

○ 게재일: 2023.11.23.(온라인)

○ DOI: 10.1002/advs.202302410

○ 논문저자

     - 김종범 선임연구원(제1저자/KIST 나노포토닉스연구센터)

     - 김혜비 학생연구원(제1저자/KIST 나노포토닉스연구센터)