보도자료

2018. 01. 16. (화)부터 보도해 주시기 바랍니다.

3D 프린터로 열전발전기 만든다… 폐열로 전기 생산!

UNIST 손재성 교수팀, ‘열원 일체형 열전발전기’ 제작 기술 개발
모든 형상의 열원에서 부착 가능… ‘네이처 에너지’최신호 논문 발표

보일러 배관이나 자동차 배기가스관은 뜨겁다. 이 열을 버리지 않고 전기로 바꿀 수 있는 신기술이 개발됐다. 3D 프린터로 관(pipe) 모양에 꼭 맞는 ‘열전발전기’를 찍어내 열을 효과적으로 거둬들이고 전기를 만드는 방식이다.

UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 손재성 교수팀은 ‘유기물 프리 전-무기 열전 잉크’를 합성하고, ‘압출형 3D 프린터’로 ‘열원 일체형 열전발전기’를 제작하는 기술을 개발했다. 3D 프린터는 열전 잉크를 열원 모양에 맞춘 열전소재로 찍어낸다. 이 열전소재를 조립해 만든 열전발전기는 기존과 유사한 성능을 가진다.

[연구그림] 3D 프린터로 배관 모양에 딱 맞춘 열전발전기를 만든 모습_배관에 밀착돼 열회수율이 높다

열전효과는 열에너지를 전기에너지로, 혹은 전기에너지를 열에너지로 바꾸는 현상이다. 열전효과를 이용하면 지열이나 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있는데, 이를 열전발전기라고 부른다. 열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동하며 현재 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 발전하는 기술이 널리 쓰인다.

그런데 기존 직육면체 소재로 만든 ‘평판형 열전발전기’는 열에너지 회수에 한계가 있다. 열원 표면은 대부분 평평하지 않아 평판형 열전발전기가 제대로 접촉하지 못하기 때문이다. 이때 생기는 열손실은 발전기 출력에 매우 치명적이다.

이 문제를 해결하기 위해 손재성 교수팀은 3D 프린터를 이용해 열전소재의 형상을 열원 모양과 크기에 꼭 맞게 제작하고 이로부터 열원 일체형 열전 발전기를 개발했다. 잉크를 이용해 입체적인 물체를 만드는 3D 프린팅 공정을 이용하면 소재 형상을 자유롭게 바꿀 수 있다는 점에 착안한 것이다. 그 결과 열전발전기는 열원과 하나처럼 붙었고 열손실도 최소화할 수 있었다.

손재성 교수는 “3D 프린팅 기술은 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작 등에 따른 비용도 줄일 수 있어 경제적이고 효율적인 방식”이라며 “3D 프린터를 이용한 열원 일체형 열전발전기는 초고성능 열전 발전 시스템의 개발 가능성을 보여준다”고 강조했다.

특히 이번에 개발한 열전 잉크는 끈적거리는 ‘점탄성’을 가지면서도 프린팅했을 때 전기적 특성을 유지해 주목받았다. 그 비결은 유기물 없이 무기물만으로 열전 잉크를 만든 데 있다. 실제로 이번에 개발한 열전 잉크의 성능지수는 0.6(n형), 0.9(p형)으로 상용화된 평판형 열전소재의 성능지수(0.5~1.0)와 유사했다.

제1저자인 김민석 UNIST 신소재공학부 석‧박사통합과정 연구원은 “기존의 3D 프린팅 잉크는 유기물 결합제(binder)를 이용해 점탄성을 확보하는데 이 경우 전기적 특성이 크게 떨어진다”며 “이번에 세계 최초로 개발한 무기물 결합제를 이용함으로써 열전 잉크의 점탄성과 열원 형상에 맞춰 찍어낸 열전소재의 전기적 특성을 확보했다”고 말했다.

손재성 교수는 “기존 소재의 한계를 넘어선 이번 기술은 자연계에서 열로 변해 손실되는 에너지원(60% 이상)을 회수할 효과적인 방법으로도 주목받고 있다”며 “최초로 선보인 열전소재 3D 프린팅 기술은 다양한 분야에 응용될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 세계적 과학저널 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 1월 15일(월) 온라인판에 발표됐다. 미국 일리노이대 어바나 샴페인 캠퍼스의 권범진 박사와 윌리엄 킹(William P. King) 교수, UNIST 신소재공학부의 채한기 교수, 한국기계연구원 부설 재료연구소의 김경태 박사, 한국전기연구원의 김봉서 박사와 이지은 박사도 이번 논문에 참여했다.

연구 지원은 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업(파동에너지극한제어연구단), 해외우수연구기관유치사업, 나노소재원천기술개발사업 등을 통해 이뤄졌다. (끝)

논문명: 3D printing of shape-conformable thermoelectric materials using all-inorganic Bi2Te3-based inks

자료문의

홍보팀: 장준용 팀장, 박태진 담당 (052)217-1232

신소재공학부: 손재성 교수 (052)217-2348

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

‘열전 기술’은 열전소재를 이용해 열에너지를 전기에너지로, 또는 전기 에너지를 열에너지로 직접 변환하는 기술이다. 이 기술은 지열이나 산업 배·폐열, 체열, 태양열 등 다양한 형태의 열에너지를 회수해 전기 에너지로 변환하는 새로운 청정 신재생에너지 기술로 주목받고 있다.

열에너지 변환 기술은 열을 전기로 변환하는 열전발전 기술이 유일하며, 열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동한다. 이로 인한 열손실 문제는 열전 발전기의 출력에 있어서 매우 치명적이다. 현재 열전소재는 존 멜팅(zone-melting)이나 고온가압소결(hot-pressing) 공정 등을 거쳐 ‘벌크 소재(bulk material)’로 만들어져 사용된다. 열전 모듈에 삽입되는 소재는 벌크 소재를 주사위 모양으로 자르는 다이싱(dicing) 과정을 거쳐 직육면체 형태로 제조되며, 형상 제어는 매우 어렵다.

이 때문에 현재 기존의 열전발전기는 판상형 모듈 형태가 유일하다. 판상형 모듈은 다양한 형상이나 크기의 열원에 등각 접촉이 불가능해 열전달 효율이 극히 떨어진다. 특히 미소열을 활용의 경우 이러한 열손실은 전체 시스템의 효율을 극히 떨어뜨리게 된다. 이에 대한 해결책으로 유연성의 유·무기 하이브리드 열전 소재가 제안되고 있으나, 기존 무기 소재 대비 에너지 변환 효율이 10~20%에 불과해 실제 적용이 불가능하다.

2. 연구내용

기존 판상형 모듈 열전소자에서 열손실 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 무기 열전소재를 자유 형상으로 제작하는 공정을 개발했다. 우선 ‘점탄성의 전-무기(all-inorganic) 열전 잉크 소재’를 만들고, ‘3D 프린팅’ 기술에 적용해 ‘파이프형 열전소재’를 제조하는 방식이다.

3D 프린팅을 위한 열전 잉크는 기계적으로 합금화된 비스무스텔루라이트(Bi₂Te₃ )기반 분말과 이온형 무기물 바인더(Sb₂Te₄^2-)를 점성 용매에 분산시켜 합성했다. 이온형 무기물 바인더는 잉크 소재의 점탄성을 확보하는 동시에 열처리 중 입자간 소결 및 치밀화를 촉진해 기존 잉크형 소재가 가지고 있는 저밀도 문제를 해결했다. 이를 통해 주재료의 전기적 특성을 확보했고, n형과 p형 열전 잉크 소재의 성능지수(ZT)도 각각 0.6과 0.9에 달했다. 이는 기존 벌크형 열전소재의 성능지수와 유사한 수치다.

제조된 열전 잉크는 압출 방식의 3D 프린팅 기법을 사용해 다양한 형상의 열전소재로 프린팅됐다. 직육면체, 디스크, 반원 등의 형상으로 열전소재를 프린팅하는 게 가능했으며 형상과 크기에 관계없이 균질한 열전 성능도 나타냈다.

열원 일체형 발전기 제작을 위해 파이프형 열원의 규격에 꼭 맞는 반원형 열전 소재를 프린팅해, 파이프형 열원 등각접촉 발전 모듈로 제작했다. 3쌍의 p-n열전 소재로 구성된 파이프형 열전 발전 모듈은 온도차 5~40℃ 구간에서 발전 모듈 특성 측정이 됐고, 온도차 39℃에서 1.62㎽의 전력을 생산했다.

3. 기대효과

이번 연구는 3D 프린팅 공정을 통해 다양한 형상과 크기의 열원에 등각 접촉이 가능한 고성능 열원 일체형 발전 모듈의 제작 가능성을 증명했다. 기존 직육면체에서 벗어나 여러 형상의 소재를 제작할 수 있는 잉크 개발로, 다양한 모양의 열원에 적용할 수 있다. 또 형상맞춤형 소재를 이용함으로써 열손실을 줄일 수 있다는 데도 큰 의미가 있다.

또 현재 무기물 바인더 도입형 열전 소재의 3D 프린팅 기술은 전 세계적으로 전무한 수준이다. 이 기술로 대면적 열전 모듈을 제작하게 되면 공정과 재료 부분에서 비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명