KRICT 한국화학연구원

 - 비교적 저온(350℃), 상압에서 제조 가능한 고밀도 은 셀레나이드 열전소재 제조 기술 개발
 - 120℃에서 열전 성능 지수(zT) 0.927 달성, 기존 상용화 소재 수준(zT 1.0)에 근접
 - 산업 폐열 관리, 웨어러블 전력 등 차세대 에너지 회수 기술 기대

□ 열과 전기를 서로 변환할 수 있는 열전 소재는 전자기기 냉각 및 버려지는 열을 활용한 발전 등 다양한 용도의 에너지 기술로 주목받고 있다.

  ㅇ 한국화학연구원 강영훈 박사팀은 기존보다 낮은 온도·압력 조건에서 ‘은 셀레나이드(Ag2Se)’ 기반 친환경 고성능 열전 소재를 개발했다.

□ 열전소재는 전기로 소재 양면을 냉각·가열하는 펠티어(Peltier) 효과 방식과 온도 차이로 발전을 하는 제백(Seebeck) 효과 방식으로 나뉜다.

  ㅇ 펠티어 방식의 경우 전기가 흐르면 표면 냉각이 되는 특성을 활용해 컴퓨터 부품에서 발생하는 열을 낮추는 쿨러, 캠핑용 소형 냉장고 등 냉각 용도의 제품이 많이 판매되고 있다. 제백 효과 방식은 우주 탐사 장비의 열전 발전기, 공장·차량 배기가스의 버려지는 열 활용 발전기 등 차세대 에너지 생산 기술로 활용·연구되고 있다.

< [그림 2] 열전소재 적용 사례 >

  ㅇ 현재 상용화된 대표적인 열전소재는 비스무스 텔루라이드 (Bi2Te3) 소재 계열이다. 그러나 재료로 쓰이는 텔루륨 등 희귀 원소가 가격 변동성이 크고 독성으로 인한 환경 부담 등 단점이 있었다. 또한 제조 시 분말 합금화와 응집 공정을 거치는데 높은 열전 성능을 얻기 위해 다양한 합금, 도핑 등 복잡한 조성 제어가 필요한 것으로 알려져 있다.

□ 연구팀은 은 셀레나이드(Ag2Se) 소재를 활용했다. 상용 소재와 달리 매장량이 풍부한 은(Ag)과 셀레늄(Se)의 2가지 물질만 활용하여 재료를 단순화했고, 제조 과정에서 유해 물질의 배출이 없어 친환경적이다. 

  ㅇ 연구팀은 은 셀레나이드(Ag2Se) 나노입자를 수용액 공정으로 합성한 뒤, 셀레늄(Se)을 추가로 첨가한 새로운 조성(Ag2Se1.2)을 설계했다. 이후 간단한 열처리 공정을 통해 고밀도 열전소재를 만들어냈다.

< [그림 3] 친환경적이고 경제적인 ‘은 셀레나이드(Ag2Se1.2) 열전 소재’ 저온·상압 대량 제조 기술 개발 >

  ㅇ 핵심 원리는 셀레늄이 비교적 낮은 온도에서 액체로 변하는 특성을 활용하여 액상 소결(Liquid-phase sintering)과 유사한 효과를 구현한 것이다. 열처리 과정에서 셀레늄이 액체 상태가 되면서 은 셀레나이드(Ag2Se) 나노입자 사이로 스며들어, 빈 공간을 채우고 입자들을 서로 결합·성장시키면서 고밀도의 치밀한 구조를 형성한다. 이 구조는 전기가 잘 흐르면서도 열 전도율은 효과적으로 억제하여, 온도 차이에 따른 발전 효율과 열전 성능을 높인다.

< [그림 4] 은 셀레나이드(Ag2Se) 열전 소재의 미세구조 >

  ㅇ 실험 결과, 개발된 n형 은 셀레나이드계 소재는 393K(약 120°C)에서 열전 성능지수(zT값) 0.927을 기록해, 상용화된 n형 비스무스 텔루라이드계 소재의 성능지수 1.0에 근접한 결과를 보였다. 또한 압축 강도와 탄성률이 기존 소재 대비 2배 이상 향상되어 복잡한 형태의 제품에도 빈틈없이 맞춤 제작할 수 있는 가능성이 커졌다.

< [그림 5] 은 셀레나이드(Ag2Se)열전 소재의 성능 >

  ㅇ 특히 최대 약 1,000℃에 달하는 고온 공정이나 수백 메가파스칼(MPa) 수준의 고압 소결(응집) 공정 장비 없이, 약 350℃의 비교적 낮은 온도와 상압에서 열처리만으로 고밀도 구조를 형성할 수 있어 공정 단순화와 제조 비용 절감 가능성을 보여줬다.

< [그림 6] 은 셀레나이드(Ag2Se)열전 소재의 열전 발전 시스템 성능 >

□ 이번 기술은 산업 공정 폐열, 데이터센터, 태양열 발전 등에서 열을 전기로 바꾸는 소형 발전 시스템에 활용이 가능하다. 장기적으로는 웨어러블 IoT 기기나 헬스케어 센서의 보조 전원으로도 적용이 가능하다. 

  ㅇ 연구팀은 “복잡한 도핑이나 고온·고압 공정 없이도 고성능 열전소재를 구현한 것이 핵심성과”라고 말했다. 이번 성과는 재료 분야 국제학술지  Advanced Composites and Hybrid Materials(IF : 21.8)에 2026년 1월 게재되었다. 화학연·창원국립대 정명훈 박사후연구원과 화학연 박병욱 박사가 1저자로, 강영훈·한미정 박사가 교신저자로 참여했다.

  ㅇ 이번 연구는 화학연 기본사업, 중소벤처기업부 기술 개발사업, 글로벌 학습 및 학술연구기관 석박사 과정 학생 지원사업의 지원을 받았다.

 - 금속을 원자 단위로 정밀 설계해, 고온 공정용 CO2 전환 촉매의 내구성 한계(소결·성능 저하) 해결
 - CO 선택도 ~100% 및 평형 수준 전환을 300~600℃ 범위에서 유지, 100시간 반복 운전에서도 안정
 - 기존 원자 촉매의 mg 단위 소규모 합성이 아닌, 10g 규모 대량 합성 성공… 상용 공정 보완 가능성 제시

□ 이산화탄소(CO₂)를 산업 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 기술은 합성연료·화학제품 생산의 핵심 공정으로 주목받고 있다. 하지만 CO₂는 화학적으로 매우 안정적인 분자이기 때문에 500~600℃ 이상의 고온이 필요하며, 반응 과정 중 촉매 성능이 쉽게 저하되는 문제가 있었다.

[그림 2] 이산화탄소(CO2) – 일산화탄소(CO) 전환 및 생활용품 활용 예시

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 김현탁 박사팀은 경북대학교(총장 허영우) 김영진 교수 연구팀, UNIST(총장 박종래) 이근식 교수, 충남대학교(총장 김정겸) 김상준 교수와 함께 금속을 ‘덩어리’가 아닌 ‘원자 단위’로 정밀 설계한 이중 원자 촉매를 개발해, 고온 열화학 반응에서도 안정적으로 CO₂를 CO로 전환하는 데 성공했다.

□ 기존 CO₂ 전환 촉매는 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt) 등 금속 나노입자를 주로 사용한다. 금속이 많아질수록 비용도 늘고, 고온 장시간 운전에서 소결(금속 입자 뭉침) 현상으로 활성점이 줄어 성능이 떨어지기 쉽다. 

  ㅇ 보완책으로 금속을 탄소 기반 틀에 단일 원자(SAC)로 고정하는 연구도 확대됐지만, 열적·구조적 스트레스 조건에서 금속 원자가 이동, 응집하거나(결과적으로 소결) 성능이 흔들리는 문제가 남아 있었다.

□ 연구팀은 촉매에 금속을 원자 단위로 정밀 분산해 사용량을 극소화했다. 같은 성능을 내면서도 금속 투입량이 매우 적어 훨씬 경제적이다. 성능 저하 문제는 질소가 도핑된 탄소 구조 안에 두 금속 원자(Cu–Ni)를 원자쌍 형태(N₂Cu–N₂–NiN₂)로 고정하는 합성법으로 해결했다. 

[그림 3] 이중원자 촉매 합성 공정 모식도

  ㅇ 이 구조는 CO₂를 빠르게 활성화하고, 생성된 CO는 바로 분리시키며, 불필요한 메탄(CH₄) 생성 반응은 억제한다. 단단히 고정된 원자는 고온에서도 위치가 뒤바뀌지 않아 반응 성능을 오래 유지할 수 있다.

  ㅇ 합성 공정도 진공 증착(ALD/CVD) 같은 고가 장비 의존도를 낮추고, 용액 기반 혼합-건조-열처리로 구현되는 합성 전략으로 단순화했다. 동일 조건에서 원료 투입만 늘려도 13–15g 규모의 이중 원자 촉매 (CuNi-DAC)를 반복 제조할 수 있어, 대량 생산 가능성을 보여주었다. 

[그림 4] 이중원자 촉매 대규모 합성 가능성 제시

  ㅇ 실험 결과, 개발 촉매는 300~600℃ 범위에서 메탄(CH4) 같은 불순물 없이 CO가 거의 100% 선택적으로 생성됐다. 또한 온도를 올렸다 내리는 가혹 조건 등에서 100시간 이상 운전 후에도 성능을 유지했다. 한편, CO₂를 CO로 바꾸는 RWGS 반응은 열역학적(평형) 한계가 있어 600℃에서도 전환율이 무한정 올라가지 않는다. 이번 촉매는 실험 조건에서 이론적 한계(66%)에 근접한 64%의 전환율을 보였다.

[그림 5] 이중원자 촉매의 열화학적 CO2 전환 성능 실험 결과

□ 이번 성과는 RWGS(역 수성가스전환) 공정의 핵심 촉매 후보로 기대된다. RWGS는 CO₂를 CO로 전환해 합성가스를 만들고, 이후 메탄올, 합성연료, 플라스틱, 화학원료 등 다양한 공정으로 연결되는 “CO₂ 자원화 밸류체인”의 관문 공정이다. 상용 RWGS 공정에서는 금속 나노입자 기반 촉매(예: 니켈계) 활용 사례가 있으나, 고온 장시간 운전 시 입자 뭉침 또는 메탄 생성이 동반될 수 있다. 이번 촉매는 이런 한계를 완화해 기존 촉매의 보완 및 고도화 가능성을 제시한다.

[그림 6] 이중원자 촉매의 RWGS 반응 메커니즘 규명

  ㅇ 김현탁 박사는 “Cu-Ni 이중 원자 구조를 정밀 설계해 고온 열화학 조건에서도 CO₂를 선택적으로 CO로 전환하면서, 반복 운전에서도 원자 분산 구조를 유지함을 입증했다”라고 설명했다. 이영국 화학연 원장은 “원자 촉매의 안정성 한계 극복과 대량 합성 가능성을 보여줘, 국내 탄소중립 기술 경쟁력 제고에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

[그림 7] 화학연 연구팀 (왼쪽부터) 김경민 연구원(1저자), 김현탁 박사(교신저자)

  ㅇ 이번 성과는 세계적 국제학술지 Nature Communications(IF : 15.7)의 2025년 11월 논문에 게재되었으며, Editor’s Highlight에 선정되었다. 김경민 화학연·문진홍 UNIST 학생연구원이 1저자로, 김현탁 화학연 박사, 김영진 경북대 교수, 이근식 UNIST 교수, 김상준 충남대 교수가 교신저자로 참여했다. 이번 연구는 화학연 기본사업의 지원으로 수행되었다.

- 세계 최초, 황 플라스틱 3D 프린팅 성공, 이를 통해 형태가 변하고 온도·빛·자석에 반응하는 '4D 프린팅' 기술 구현
- 프린팅→사용→재활용→재프린팅 '순환형 4D 프린팅' 실현...지속가능한 스마트 소재 플랫폼 제시

□ 국내 연구진이 정유공장에서 버려지는 황을 활용해 스스로 움직이고 재활용까지 가능한 순환형 4D 프린팅 기술 개발에 성공했다.

   ○ 한국화학연구원 김동균 박사와 한양대 위정재 교수, 세종대 김용석 교수 공동연구팀은 황 고분자로 온도·빛·자기장에 반응하는

        4D 프린팅 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

□ 정유공정에서는 다량의 ‘황 부산물’이 발생한다. 미국지질조사국(USGS)에 따르면 전 세계 황 생산량은 ’24년 기준 약 8,500만 톤으로 추정*되는데,

     이처럼 막대한 양의 황을 단순한 폐기물이 아닌 새로운 자원으로 활용할 수 있는 신기술 개발이 절실한 상황이다.

    * 미국지질조사국(United States Geological Survey)의 비연료(nonfuel) 광물에 대한 종합 통계·동향 보고서

       ‘Mineral Commodity Summaries’ 2025년판

   ○ 이러한 문제의 해결책으로 주목받는 것이 바로 ‘황 플라스틱’이다. 이 소재는 버려지는 황 부산물을 고부가가치 자원으로 재활용할 수 있는

        대표적인 자원순환 소재로 주목받고 있다. 

   ○ 황 플라스틱은 일반 플라스틱이 투과하지 못하는 적외선을 통과시켜 적외선 카메라 렌즈 소재로 사용할 수 있고, 중금속을 흡착하여 수질 정화에도

        활용가능하다. 따라서 환경오염 저감과 첨단산업 발전에 동시에 기여하는 친환경·자원순환형 소재로 평가받는다.

   ○ 이런 장점에도 불구하고, 그동안 황 플라스틱은 복잡한 모양을 만드는 3D 프린팅 기술에 적용하기가 매우 어려웠다. 소재 내부가 너무 촘촘하게

        그물처럼 얽혀 있는 구조 탓에, 유동성이 낮아 노즐을 통해 정교하게 뽑아낼 수 없었기 때문이다.

□ 연구팀은 이 문제를 해결을 위해 내부 그물 구조를 느슨하게 설계함으로써, 복잡한 모양도 손쉽게 프린팅할 수 있는 새로운 황 플라스틱을 개발했다. 

   ○ 특히, 황 플라스틱의 황 함량과 그물 구조를 정교하게 조절하여 온도나 빛 같은 자극에 모양이 변하는, ‘형상기억’이 가능한 ‘4D 프린팅’ 기술을

        개발하였다. 별도의 장치 없이 소재 자체가 스스로 형태를 바꾸는 지능형 구조체를 구현한 것이다.

   ○ 또한 특수 레이저를 8초간 비추면, 그 에너지가 소재 내부의 결합을 순간적으로 끊었다가 다시 이어주는 ‘용접’ 역할을 한다. 따라서 접착제 없이도

        조각들을 단단하게 붙일 수 있으며, 마치 레고 블록을 조립하듯 정교하고 복잡한 4D 구조물을 출력할 수 있다.

   ○ 더 나아가 연구팀은 이 황 플라스틱에 철가루를 20% 혼합하여, 별도의 동력 없이도 움직이는 일 센티미터(cm) 이하 크기의 ‘소프트 로봇’을 개발했다.

        소재가 가진 ‘형상기억’ 능력에 철가루의 ‘자기장 반응’ 기능이 더해지면서, 로봇은 자석의 움직임을 따라 보다 정교한 동작을 수행할 수 있게 되었다.

   ○ 이번 기술의 핵심은 ‘순환형 제조’의 실현이다. 제작된 4D 구조물은 사용 후 다시 녹여 프린팅 원료로 100% 재사용할 수 있어 완벽한 자원 순환이 가능하다.

□ 화학연 김동균 박사는 “이번 연구는 산업 부산물인 황을 첨단 로봇 재료로 업사이클링한 최초의 사례로, 스스로 움직이고 재활용까지 가능한

     스마트 소재는 미래 소프트 로봇 및 자동화 산업의 핵심 동력이 될 것”이라고 밝혔다.

   ○ 이번 연구 결과는 세계적 과학저널 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 2025년 11월 실렸다. 

   ○ 또한 한국화학연구원 기본사업과 과학기술정보통신부, 미국 육군 국제기술센터의 지원을 받아 수행되었다.