버려지는 열을 전기로 바꿀 기술을 UNIST 연구진이 개발했다. 붓으로 그려서 ‘열전발전기’를 만드는 신기술이다. 효율을 높이면 건물 외벽, 지붕, 차량 외관 등에 페인트처럼 칠해 전기를 얻을 수 있다.
손재성 신소재공학부 교수팀은 ‘페인트처럼 바르는 열전 소재’와 이 소재로 열전발전기를 만드는 ‘페인팅 공정’을 개발했다. 기존에도 잉크 형태의 열전 소재가 나오긴 했지만 성능이 매우 낮거나 프린팅 전용이었다. 이번 연구 결과는 세계 최초로 그려서 기존 열전 소재와 유사한 성능을 가진 열전발전기를 구현한 것으로, 다양한 모양의 열원에 그려서 전기를 생산할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.
열전효과는 열에너지가 전기에너지로, 반대로 전기에너지가 열에너지로 변하는 현상이다. 이 효과는 이미 다양한 소형 냉각 장치와 자동차 엔진, 선박의 폐열 발전장치 등에 쓰인다. 이들 장치에는 직육면체 소재의 평판 열전 발전 모듈이 이용된다.
하지만 열을 가진 물체의 표면은 둥그스름한 경우도 많아 기존의 열전 소재를 적용해서는 효과적으로 열을 회수하지 못했다. 이를 해결하기 위해 손재성 교수팀은 열원에 열전 페인트 소재를 발라서 전기를 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
열전 페인트 소재를 만드는 방법과 열전 페인팅 공정의 모습.
손 교수는 “페인팅 공정으로 일체화된 열전 모듈은 평판형 열전 모듈의 한계를 극복하고 효율적으로 열에너지를 회수했다”며 “작업자가 원하는 형태로 열전 발전 시스템을 직접 제작할 수 있고 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작에 따른 비용을 줄일 수 있어 경제적으로도 효율적인 방식”이라고 설명했다.
연구진이 개발한 열전 페인트 소재의 성능지수는 0.69(n형 소재), 1.21(p형 소재 )로 나타났다. 상용화된 평판형 열전 소재의 성능지수는 보통 1.0으로 이와 유사한 수준을 보인 것이다. 또한 페인팅 공정을 통해 제작된 곡면형 열전발전기의 전력 밀도도 상용화된 열전 모듈과 비슷하게 나타났다.
제1저자인 박성훈 UNIST 신소재공학부 석사과정 연구원은 “열전 소재를 잉크 형태로 만들면 밀도가 낮아지기 쉬운데, 이를 새롭게 개발한 무기물 소결 조제(sintering aid)를 첨가해 보완했다”며 “소재들을 치밀하게 뭉치는 무기물 소결 조제는 열전 소재뿐 아니라 다른 에너지 및 전자 소재에도 적용 가능하다”고 설명했다.
기존의 모듈은 곡면에 닿는 면적이 적어서 열에너지를 효율적으로 회수하기 어려웠지만 페인팅 방식은 이런 단점을 극복할 수 있다.
특히 이번 기술은 자연계에서 열로 변해 손실되는 에너지원(60% 이상)의 회수방법으로도 주목받고 있다. 다양한 모양에 적용하기 어려운 기존 소재의 한계를 넘어선 덕분이다.
손재성 교수는 “이번에 개발된 열전 페인트와 페인팅 공법은 열원의 형상, 종류, 크기에 관계없이 적용 가능하다”며 “학술적 개념 제안에서 한 걸음 나아가 일상생활에서 버려지는 다양한 형태의 배·폐열 발전은 물론 건물 외벽, 지붕, 차량 외관 등에 도입해 새로운 형태의 신재생에너지 발전 시스템으로 발전될 수 있을 것”이라고 전망했다.
이번 논문은 세계적 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 11월 11일자 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 UNIST의 조욱․최경진․이석빈 교수, KIST의 권범진․김진상․현도빈 박사, 한국전기연구원 이지은 박사 등도 참여했다. 연구 지원은 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업 및 신진연구자지원사업을 통해 이뤄졌다.
