에너지전환소재연구실(2025년 9월호)

버려지는 열을 다시 쓰다:진틀 화합물 기반 열전소재 연구 에너지전환소재 연구실(Energy C nversi n Material Lab)은 2010년 가을, 충북대학교 화학과에서 시작되어 지금까지, 배터리 전극 소재용 Li-rich 화합물, 소재의 자기적 성질을 활용하여 냉각시킬 수 있는 자기 열량 소재 등 신규 에너지 소재에 관해 연구해 왔으며, 특히 최근에는 폐열의 형태로 버려지는 에너지의 일부를 전기로 직접 전환하여 재사용할 수 있는 신규 열전 소재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 열전 소재는 소재의 양 끝단에 온도차가 발생하면, 이 온도차에 의해 charge carrier들이 hot side에서 cold side로 이 동하게 되고 이를 circuit으로 만들어 전기가 흐르게 됩니다. 이러한 열전 소재는 반도체 특성을 가지고 있으며 n-type과 p-type이 있고, 이 소재들을 번갈아 가며 연결하여 모듈의 형 태로 제작할 수 있게 됩니다. 이와 같은 열전 소재로 활용할 수 있는 물질들의 종류는 다양한데, 우리 실험실에서는 이들 중 주로 진틀상(Zintl phase) 화합물에 집중하여 연구하고 있습니다.

진틀상 화합물이란 작은 밴드갭을 갖는 반도체 물질로써, anionic framew0rk와 cation으로 이루어진 복잡한 결정 구조를 갖고 있어 고효율 열전 물질에 요구되는 PGEC(phonon- glass electron-crystal) 조건, 즉 phonon의 전도도는 낮고 electron의 전도도는 높게 하는 조건을 만족시키는 물질입니 다. 우리는 이러한 진틀 화합물을 이용한 신규 열전 소재 연구를 통해 최종적으로 열전성능지수인 ZT를 최대화하는 방향으로 연구를 진행 중입니다.

이를 위해 실험실에서는 화합물의 합성부터 전자 구조 계산, 그리고 AI 활용 머신러닝 예측까지 서로 긴밀히 연결된 세 가 지 연구 흐름을 중심으로 고효율 신규 열전 화합물을 찾기 위한 시도를 이어가고 있습니다. 첫째, 화합물 합성과 결정 구조 분석 및 화학적‧물리적 특성 분석입니다. Flux나 arc-melting 등과 같은 다양한 방법들을 통해 합성을 진행한 후, PXRD, SXRD 등과 같은 방법들로 결정 구조를 분석하고, 화학적∙물리적 특성까지 측정하여 열전 소재의 성능을 확인합니다. 둘째, 확인된 결정 구조를 바탕으로 전자 구조 계산을 통한 전자 구조의 분석입니다. TB-LMTO 방식을 활용한 전자 구조 계산을 통해 실험적으로 얻은 화합물의 전자적 특성을 이론적으로 검증하고, 물성 향상 가능성을 구조적 관점에서 해석합니다. 마지막으로, AI 활용 머신러닝 방법을 통한 고효율 열전 소재의 예측입니다. 이는 최근 우리 실험실에서 새롭 게 시작한 연구 방법 중 하나로, 기존에 보고된 다양한 화합물 들의 data set을 기반으로 가장 뛰어난 화학적‧물리적 특성 을 보일 것으로 예상되는 후보 물질을 우선 예측하고, 이를 바탕으로 실제 화합물을 합성하여 불필요한 합성을 줄이는 효율적인 합성을 실현할 수 있습니다. 이처럼 실험과 계산, AI 기반 후보 물질 예측이 유기적으로 연결된 연구 환경 속에서, 우리는 열전 소재의 가능성을 다양한 방향으로 탐색하며 차세대 에너지 전환 기술의 실현을 향해 나아가고 있습니다.

함께 고민하고, 함께 웃는 연구실

우리 연구실은 ‘즐겁게 연구하자’라는 공감대를 바탕으로, 따뜻하고 유쾌한 분위기 속에서 함께 성장하고 있습니다. 실험 실에 들어서면 가장 먼저 느껴지는 건, 진지함 속에서도 자연스럽게 오가는 대화와 구성원 간의 따뜻한 배려입니다. 선후배 간에는 존중을 바탕으로 서로의 연구를 이해하려는 태도가 자 리 잡고 있고, 궁금한 점이 생기면 망설임 없이 질문을 던질 수 있는 분위기가 형성되어 있습니다. 실험 과정에서 예상치 못한 상황이 생기더라도, 주변의 조언과 작은 힌트들이 큰 도움이 되곤 합니다. 실패 역시 혼자 감당하기보다는, 함께 공유하며 다음 실험의 발판으로 삼고 있습니다.

연구실 구성원 모두가 실험실을 ‘또 하나의 일상’처럼 즐겁 게 받아들이고 있고, 이 분위기를 이끌어 주시는 건 단연 유태 수 교수님입니다. 맛집을 좋아하시는 교수님과 함께 근처 식당을 탐방하며 나누는 식사 시간은, 실험실 밖에서 연구자로서 자세와 태도를 배우는 또 하나의 수업처럼 느껴집니다. 교수님 은 연구뿐 아니라 구성원들의 삶에도 깊이 관심을 두시고, 구성원 모두가 학교생활에 잘 적응하고 편안하게 연구에 몰입할 수 있도록 늘 배려해 주십니다.

이러한 따뜻한 분위기는 정기적인 행사에서도 이어집니다. 매년 여름, 실험과 수업, 조교 활동 등으로 지친 몸과 마음을 재정비할 수 있도록 일주일간의 여름휴가가 주어지고, 겨울에 는 스키장으로 워크숍을 떠나 자유로운 시간과 맛있는 식사를 함께 나눕니다. 이 외에도 개강총회, 송년회, 학회 출장지에서 의 회식 등 공식적인 자리뿐 아니라 크고 작은 일상 속에서 서로에 대한 유대와 신뢰가 자연스럽게 쌓여갑니다.

질문을 던지고, 스스로 답을 찾아가는 연구 분위기

우리 실험실에서는 단순히 주어진 실험을 반복하는 것이 아니라, ‘연구를 직접 설계하고, 주도하는 경험’을 무엇보다 중요 하게 생각합니다. 유태수 교수님께서는 학생 개개인의 아이디어와 가능성을 존중하며, 실험 설계와 장비 선택, 데이터 분석, 발표에 이르기까지 전 과정을 직접 경험하도록 지도해 주십니다. 물론 그 과정에서 언제든 도움을 청할 수 있도록, 날카로우면서도 따뜻한 피드백을 아낌없이 주십니다.

이러한 분위기 속에서 연구실 구성원들은 매년 대한화학회를 비롯한 다양한 학회에 참가해 연구 내용을 발표하고, 실제로 우수 포스터상과 같은 의미 있는 성과도 지속적으로 얻고 있습니다. 학부연구생도 예외가 아닙니다. 연구 주제가 충분히 성숙해졌을 때에는 학부생 역시 학회에 참가할 수 있도록 적극적으로 독려해 주시고, 그 경험을 통해 자신감을 갖고 진로를 고민해 볼 수 있는 기회를 제공합니다.

정기적인 랩미팅과 논문 미팅은 연구적 성장을 뒷받침하는 또 하나의 축입니다. 랩미팅에서는 실험 결과를 단순히 보고하는 것을 넘어, 실험 과정의 시행착오, 실험 중에 생긴 작은 아이디어까지도 자유롭게 공유합니다. 서로의 고민을 듣고 해결책을 제안하며 자연스럽게 깊이 있는 토론이 이루어지고, 때로는 동료의 문제 속에서 내 실험의 실마리를 찾기도 합니다.

논문 미팅에서는 최신 연구 동향을 각자 탐색한 뒤, 팀원들에 게 직접 설명하고 피드백을 받는 시간을 통해 논리적 사고력과 발표력을 함께 길러갑니다. 처음엔 긴장되던 발표도, 반복을 거치며 자신감으로 바뀌고, 매주 조금씩 성장하는 자신을 발견하게 됩니다. 연구뿐 아니라 전달력, 소통력, 그리고 문제 해결 능력까지 함께 키워나갈 수 있는 이 문화는, 연구실이 단지 실험 만 하는 공간이 아니라는 것을 잘 보여줍니다.

연구실은, 함께 성장하는 곳입니다

연구는 언제나 순탄치만은 않습니다. 실험 결과가 마음처럼 나오지 않을 때도, 실험 장비가 말을 듣지 않을 때도, 혼자였다면 쉽게 지쳤을 일들이 우리 실험실에서는 ‘같이’이기 때문에 끝까지 해볼 수 있는 힘이 생깁니다. 서로를 지지해 주는 동료 들과, 늘 따뜻하게 길을 잡아주시는 교수님이 함께하기에, 연구라는 긴 여정도 결국 즐겁고 의미 있는 시간이 됩니다.

우리 연구실은 실험의 완성도뿐만 아니라, 연구자 개인의 성장을 진심으로 응원하는 공간입니다. 아이디어가 존중받고, 질문이 환영받으며, 실패마저 배움으로 바뀌는 이곳에서 우리는 오늘도 조금 더 나은 연구자, 그리고 조금 더 단단한 사람으로 자라나고 있습니다. 이 글을 읽어주신 여러분께도 우리 연구실의 진심이 전해졌기를 바라며, 언젠가 함께 연구로 이야기 나눌 수 있는 날을 기대합니다.