모래시계 형상 열전소재 이용해 폐열을 전기로 바꾸는 기술 개발

[산업일보]
열전기술은 열과 전기를 변환하는 기술로, 공장이나 자동차 엔진, 사람의 체온 등에서 발생하는 열을 전기로 바꾼다는 점에서 지속 가능한 신재생 에너지로 주목받고 있다.

열전기술의 핵심이 되는 열전소재는 고체 형태의 열전 반도체 소재로 구현되는데, 이때까지 열전발전기 연구는 열전소재의 물성 지표인 열전성능지수(ZT)를 높이는 연구에 집중됐다. 하지만 향상된 ZT에 비해 열전발전기의 효율이 실생활에 활용될 정도로 높아지지 않아 열전소재의 물성 연구를 넘어선 새로운 접근 방식이 필요한 상황이다.

포항공과대 손재성 교수와 조지워싱턴대 사니야 르블랑(Saniya LeBlanc) 공동연구팀은 직육면체 형상에 고착화됐던 열전소재를 형상 설계와 3D프린팅 공정을 통해 새로운 형상을 구현하고, 이를 통해 발전효율을 크게 향상시킬 수 있음을 확인했다.

공동연구팀은 열전소재의 형상 및 구성을 바꾸는 것만으로 발전효율을 극대화할 수 있음을 이번 연구로 증명했다.

기존의 직육면체 형상을 비롯해 모래시계 모양 등 8가지의 기하학적 구조를 시뮬레이션하고, 서로 형태가 다른 열전소재의 발전 효율을 측정한 결과 모든 발전조건에서 모래시계 형상의 효율이 월등히 우수함을 확인했다.

특히 연구팀은 복잡한 형상의 열전소재 제조가 가능한 3D 프린팅 공정을 고도화, 열전소재 내부에 고밀도의 미세 적층결함을 형성해 열전도도를 최소화하고 열전성능지수(ZT)를 2.0까지 향상시켰다. 해당 값은 3D 프린팅으로 제조한 열전소재 중 가장 높은 값이다.

이 같은 실험을 바탕으로 8가지 구조의 열전소재를 활용한 열전발전기를 제작해 효율을 측정한 결과, 기존의 직육면체 기반 열전발전기보다 모래시계 형상 기반 열전발전기의 효율이 약 3.6배 더 향상됐음을 확인했다.

손재성 교수는 “이번 연구는 기존의 열전소재 미세구조 중심의 연구방식을 탈피하고 소재의 3차원 기하학적 구조의 적용을 통해 열/전기 수송 특성을 제어해 효율을 향상시킨 첫 사례”라며 “모든 열전소재에 범용적으로 적용할 수 있고 열전냉각 기술에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.