열전소재 모래시계 모양으로 바꿨더니 발전 효율 3.6배↑

포항공과대·조지워싱턴대 연구팀

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국연구재단은 포항공과대 손재성 교수와 조지워싱턴대 사니야 르블랑 교수 공동 연구팀이 열전소재를 모래시계 형상으로 바꿔 발전 효율을 높이는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

열전소재는 열을 전기로 바꿔주는 소재다. 온도 차에 의해 전기를 발생시키는 원리다.

공장이나 자동차 엔진의 폐열, 사람의 체온 등에서 발생하는 열을 활용할 수 있어 신재생 에너지 기술로 주목받고 있다.

주로 열전소재의 물성 지표인 열전성능지수(ZT)를 높이기 위한 연구가 시도되고 있지만, 실생활에 활용할 수 있을 정도까지 높이기 어려워 다른 접근 방식이 필요한 상황이다.

연구팀은 열전소재의 형상과 구성을 바꾸는 것만으로 발전 효율을 극대화할 수 있는 기술을 개발했다.

기존 직육면체 형상을 포함해 모래시계 모양 등 8가지의 기하학적 구조를 시뮬레이션한 뒤 열전소재의 발전 효율을 측정한 결과 모든 발전 조건에서 모래시계 형상의 효율이 월등히 우수함을 확인했다.

고도화된 3D 프린팅 공정을 통해 열전소재 내부에 고밀도의 미세 적층결함을 형성, 열전도도를 최소화하고 열전성능지수(ZT)를 2.0까지 높였다.

이는 3D 프린팅으로 제조한 열전소재의 ZT 값 중 가장 높은 수치다.

연구팀이 이 8가지 구조의 열전소재를 바탕으로 열전발전기를 제작해 효율을 측정한 결과, 모래시계 형상 기반 열전발전기의 효율이 기존 직육면체 형상 기반 열전발전기보다 3.6배 높게 나타났다.

손재성 교수는 "기존 열전소재 미세구조 중심의 연구방식에서 벗어나 3차원 기하학적 구조 적용을 통해 효율을 높였다"며 "모든 열전소재에 적용할 수 있으며 열전냉각 기술에도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 에너지'(Nature Energy) 지난달 19일 자 온라인 판에 실렸다.

jyoung@yna.co.kr

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