한국전기연구원, 열→전기 '열전발전' 산업화 실증·평가 인프라 구축

한국전기연구원(KERI)은 연구원이 중심이 된 정부 출연연구기관·기업 연합팀이 열을 전기로 바꾸는 ‘열전발전’의 산업화를 위한 큰 디딤돌을 마련했다고 9일 밝혔다.

KERI에 따르면 열전발전은 서로 다른 두 종류의 금속이나 반도체 접점 사이에서 생기는 온도 차를 전기로 만드는 기술이다.

열전발전 기준 소자 3종을 선보이는 박수동 박사(가운데) 연구팀. 한국전기연구원 제공

그러나 미래형 기술이다 보니 실용 연구 데이터가 많이 부족하고, 이론과 실제 효율과의 괴리도 커서 산업 현장에 제대로 적용한 사례가 드물었다.

이에 KERI 전기변환소재연구센터 박수동 박사팀은 산업부의 지원을 받아 국내 기업들이 열전발전 성능을 평가할 수 있도록 도와주는 기준 체계를 확립하고 관련 연구개발 및 설계에 필요한 기초 데이터, 실증 인프라까지 마련하는 데 성공했다.

해당 연구는 한국기계연구원, 한국에너지기술연구원, 한국표준과학연구원, 서울대 등이 참여했다.

박수동 박사팀은 자체 개발한 인공지능(AI) 알고리즘을 통해 열전발전 성능의 ‘가늠자’ 역할을 할 기준 반도체 물질과 소자부터 개발했다.

먼저 AI에게 전 세계 논문 등 1만3000여개의 출판물을 학습시켜 가장 많이 사용된 열전 반도체의 조성을 파악하고, 이들의 평균적인 성능과 규격을 도출했다.

그리고 각종 대내외 환경(온도, 제조 방식) 조건에도 영향을 적게 받는 성질까지 분석해 산업적 척도가 될 ‘열전발전 기준 소자 3종’을 개발했다.

이를 통해 산업계에서는 KERI 3종 소자를 기준으로, 자신들이 자체 개발·보유한 열전발전 소자들의 성능을 비교·평가할 수 있다.

이에 더해 연구팀은 기업들이 열전발전 연구개발, 설계, 제조 과정에서 활용할 수 있는 ‘엔지니어링 데이터’를 만들어 수요기업에 공개하고 있다.

이 데이터에는 △환경 특성(습기, 진동, 소금기 영향에 대한 특성) △전기적 특성(소자가 견딜 수 있는 전압 수준) △기계적 특성(강도‧충격‧압축 등을 견디는 정도) △소자 수명 예측 △열전 반도체 물성 정보 △계면 열전도도 측정 및 이론 정보 △성능 분석 평가 장비 정보 등 많은 내용이 담겨 있다.

마지막으로 박수동 박사팀은 기업들이 개발한 킬로와트(kW)급 열전발전 파워 모듈을 실증 및 평가하는 인프라도 구축했다.

산업 현장 조건과 유사하게 250~300도의 고온 가스가 다양한 속도(최대 14m/s)로 뿜어져 나오도록 만들어 열전발전 모듈의 성능을 철저하게 검증하는 세계 유일의 인프라다.

이미 KERI는 1.6m 길이의 kW급 열전발전 파워 모듈을 직접 만들어 인프라에서 실증하는 등 객관적인 평가 설비로서의 가치를 확인했다.

KERI는 이러한 모든 과정과 측정·평가 노하우가 담긴 기록 절차서를 만들었고, 이를 필요로 하는 기업들에게 무상 제공한다는 계획이다.

또 열전 반도체 및 소자에 따라 출력이 어느 정도 나오는지 시뮬레이션을 할 수 있는 웹사이트까지 구축해 무료로 오픈했다.

박수동 KERI 박사는 “열전발전 개발 과정에서 필요한 기준점, 데이터, 실증 인프라까지 원스톱으로 체계를 구축한 사례는 세계 최초이며, 누구나 활용 가능하도록 공공성을 더했다”라며 “그동안 멀게만 느껴졌던 친환경 열전발전 기술의 체감도를 높여 범국가적 에너지 절감 및 탄소중립 실현에 기여할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

현재 박수동 박사팀은 산업부의 지원 아래 세계 최대 규모의 ‘열전발전 시스템 개발 및 실증연구’ 프로젝트를 총괄하고 있다.

이 프로젝트에는 이번 연구 성과를 비롯해 ‘열전발전 소자 대량생산 공정 개발’, ‘선박·산업용 열전발전시스템 개발’을 포함하고 있어 프로젝트가 마무리되는 2027년 이후에는 열전발전의 적용이 크게 확대될 것으로 기대하고 있다.

또 이번 연구를 통해 비스무스-텔루라이드(Bi-Te)계 열전반도체에 대한 체계적 데이터베이스 확보와 새로운 개발 이론이 얻어진 만큼 전류를 흘려 열을 빼내는 일명 ‘열전 냉각’ 기술 분야에 대한 심층 연구도 진행한다는 계획이다.

창원=강승우 기자 ksw@segye.com