공장 굴뚝·車 배기관서 버려지는 열기, 전기로 바꾼다

포스텍 손재성·양성은 연구팀, 기술 매커니즘 세계 최초로 규명
열전 소자 설계 원리 성능 검증…70년 넘게 머물던 1차원 구조 한계 허물어

포스텍 손재성 교수

포스텍 양성은 박사

공장 굴뚝이나 자동차 배기구 등에서 나오는 열을 전기로 바꿀 수 있는 기술 메커니즘을 국내 연구진이 세계 최초로 밝혀내 산업계의 관심이 쏠리고 있다.

포스텍(포항공대) 화학공학과 손재성 교수·양성은 박사 연구팀은 한국전기연구원 류병기 박사와 함께 3차원(3D) 구조와 열 경계조건을 동시에 고려한 '열전 소자 설계 원리'를 제안하고, 실제 제작된 소자에 적용해 성능을 검증하는 데 성공했다.

이번 연구는 영국 왕립화학회(RSC)가 발행하는 국제 학술지 'Energy＆Environmental Science(에너지와 환경과학)'에 게재됐다.

열전 효과는 '열'을 '전기'로, '전기'를 '열'로 바꾸는 현상을 말하며 이미 자동차 폐열 회수, 우주 탐사선 전력 공급 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

하지만 기존 이론은 70여년 전 제시된 1차원 구조에 머물러 있어 실제 산업 현장에서 필요한 복잡한 3D 구조와 다양한 환경 조건을 설명하기엔 한계가 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 '온도를 고정한 경우', '열의 흐름만 고정한 경우', '공기·물 같은 매체와 접촉하는 경우' 등 열전 소자가 놓일 수 있는 8가지 실제 환경을 이론적으로 정리했다.

여기에 더해 'G 인자'라는 새로운 설계 지표도 도입해 소자 모양이 달라질 때 내부 전기저항과 열전도율이 어떻게 바뀌는지를 함께 반영했다.

이를 바탕으로 연구팀은 열전재((Bi, Sb)₂Te₃)를 이용해 다양한 단면의 소자를 제작했다.

그 결과, 기존의 단순한 원통형 구조와 비교했을 때 출력은 최대 422%, 효율은 최대 466% 향상됐다. 소자 제작에 사용되는 재료는 오히려 67%나 줄었다.

무엇보다 이론으로 계산한 값과 실험 결과가 거의 정확히 일치했다는 점에서 실제 환경에서 신뢰성 있게 적용할 가능성을 높였다.

손재성 교수는 "이번 연구는 지난 70년 넘게 공백으로 남아 있던 3D 열전 소재의 설계 이론을 처음으로 의미 있게 제시한 결과물"이라며 "자동차 배기가스나 산업 현장의 폐열 회수, 웨어러블 기기용 전력원 설계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 했다.