|
|
|
|
|
열전발전기의 내구성과 효율을 크게 개선하는 기술이 나왔다. 꿀벌 집 구조로 발전기의 열전소재를 찍어내는 기술이다. 벌집 구조가 힘을 잘 분산하는 특성을 활용해 열전소재 손상을 막는다. 열 확산도 효과적으로 억제해 발전기 효율도 더 좋아졌다. |
UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 손재성·채한기 교수팀과 애리조나 주립대 권범진 교수는 열전소재인 구리-셀레나이드 (Cu2Se)를 벌집 형태로 3D 프린팅해 발전기 내구성과 효율을 높이는 기술을 개발했다. 열전소재로 이뤄진 잉크를 새롭게 개발한 덕분에 3D 프린팅으로 복잡한 벌집 구조를 찍어낼 수 있었다. |
|
열전발전은 온도차를 전기로 바꾸는 차세대 발전이다. 공장이나 항공기·자동차에서 나오는 폐가스의 열을 전기로 바꿀 수 있어, 에너지 재활용 기술로도 주목받는 발전기술이다. 열전소재 양 끝단에 온도차가 생기면 소재 내부에 전류가 흐르는 힘이 생기는 원리(제벡효과)를 이용한다. 이 발전기 핵심인 열전소재는 다른 소재군과 비교해 충격 등을 견디는 기계적 내구성이 약하다. 또 작동 과정 중에 반복적으로 열 팽창과 수축, 기계 진동에 노출돼 미세균열과 같은 구조적 손상을 입기 쉽다. 내구성을 보완하는 새로운 기술이 필요한 이유다. |
|
공동 연구팀은 열전소재를 세포형 구조(cellular architectures)로 제작하는 기술을 새롭게 선보였다. 세포형 구조는 단위 세포구조 여러 개가 빈틈없이 연결된 형태를 말한다. 벌집처럼 단위세포를 육각기둥 형으로 만들면 외력을 효과적으로 분산시킬 뿐만 아니라 열전소재 원료를 더 적게 써 경량화도 가능하다. 제1저자인 추승준 UNIST 신소재공학과 석․박사통합과정 연구원 “이번 실험에서는 구리-셀레나이드 소재를 세포형 구조로 제작해 기계적 강도를 크게 높였다” 며 “본래 이 소재는 고온대역(약 800℃)에서 열전성능이 뛰어나지만 열팽창에 의해 내구성이 쉽게 약화되던 소재”라고 설명했다. |
|
연구팀은 3D 프린팅용 잉크를 만들기 위해 무기물 결합제(셀레늄)를 썼다. 점도가 높은 잉크형태로 열전소재를 만들려면 결합제가 필요한데, 일반적으로 쓰는 유기물 결합제는 열처리 공정으로 완벽히 제거되지 않는다. 잔류 유기물 결합제는 전기전도도를 떨어뜨려 열전소재의 효율을 낮추는 문제가 있었다. 채한기 교수는 “이번 기술은 소재의 전기전도도와 같은 물성저하를 방지할 수 있어 다양한 반도체 소재를 3D 프린팅 하는 데 접목시킬 수 있는 원천기술로도 응용 할 수 있을 것”이라고 설명했다. |
벌집구조 열전소재로 발전기로 만들었을 때의 성능도 컴퓨터 시뮬레이션 했다. 실험 결과 벌집구조는 직육면체 평판 형태 발전기보다 온도차를 전기로 변환하는 성능이 26% 이상 높았다. 벌집 구조가 열전소재에 붙은 전극의 열 확산을 억제하는데 효과적이기 때문이다. 열이 주변부로 확산돼 온도차가 줄면 열전발전 효율이 낮아진다. 손재성 교수는 “3D 프린팅 기술로 소재의 기계적 물성을 보완하는 복잡한 구조를 구현하고, 버려지는 원료 손실도 최소화 할 수 있는 뛰어난 기술”이라며 “경량화와 내구성이 동시에 필요한 우주·항공 기술과 자동차 산업에 응용할 수 있을 것”으로 기대했다. 이번 연구는 세계적 과학저널 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 10일(목) 온라인판에 발표됐다. 연구 지원은 삼성전자의 삼성미래기술육성사업을 통해 이뤄졌다. 논문명: Cu2Se-based thermoelectric cellular architectures for efficient and durable power generation |
|
|
|
[붙임] 연구결과 개요 |
|
1. 연구배경 열전 기술은 ‘열전효과(thermoelctric effect)’를 기반으로 한다. 열전소재 양 끝단에 온도 차가 발생하면 전하 캐리어(전자, 정공)의 확산으로 밀도 차이가 생겨난다. 이러한 밀도 차이로 전기를 만들어내는 힘 (기전력)이 발생하고 이를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 장치를 ‘열전발전기’라고 한다. 열전발전기는 일반적인 발전기와 달리 구동부나 복잡한 구조가 없기 때문에, 열전 소재 자체의 ‘열전성능’이 전체 열전발전의 성능을 결정하는 가장 중요한 요인이 된다. 따라서 열전 기술과 관련된 연구는 발전효율이 높은 고성능 소재 개발과 발굴에 집중돼왔다. 하지만 열전발전 대중화를 위해서는 열전소재의 내구성을 높이는 연구도 필요하다. 대부분의 열전소재는 태생적으로 다른 소재군에 비해 낮은 기계적 강도를 지니는 한계가 있는데다가, 산업시설에서 발생하는 폐열을 열원(熱源)을 이용할 때는 기계적 진동과 같은 외부적 충격과 소재의 열팽창으로 인해 내구도가 더 쉽게 떨어진다. 또 제백효과를 활용한 상용화된 열전 발전기의 경우 제조 공정의 한계로 단순한 직육면체 형태의 열전소재를 이용해 기계적 특성이 취약하다. 뾰족한 모서리 부분이 외력에 쉽게 손상을 입기 쉽다. 2. 연구내용 이번 연구에서는 ‘구리-셀레나이드 (Cu2Se)’ 열전소재 잉크를 만들어 이를 세포형 구조로 3D프린팅하는 방안을 그 해법으로 제시했다. 경량화가 가능하면서도 힘을 잘 분산해 강도가 높은 육각형 기둥을 단위세포로 하는 세포구조다. ‘구리-셀레나이드 (Cu2Se)’는 고온 대역에서 대단히 우수한 성능으로 학계의 주목을 받아온 물질이다. 본 연구에서는 구리-셀레나이드를 3D 프린팅하기 위해 유기물 결합제를 대체하는 무기물 셀레늄 결합제를 합성했다. 합성한 셀레늄 결합제와 타겟 소재인 구리-셀레나이드 분말을 용매인 글리세롤에 분산시켜 열전 잉크를 합성하였다. 해당 소재들의 비율을 최적화하여 3D 프린팅에 적합한 유변학적(점도, 탄성 등) 특성을 확보했다. 해당 잉크를 활용한 구리-셀레나이드 열전소재는 덩어리 상태(벌크) 구리 셀레나이드 열전 소재와 비슷한 열전성능지수를 보였다. 상용화된 직육면체 열전소재와 새로 개발된 형태의 열전소재의 발전 성능을 비교하는 실험도 했다. 먼저 무기물 결합제를 첨가한 구리-셀레나이드 잉크를 활용하여 상용화 형태인 직육면체 열전소재를 프린팅했다. 해당 직육면체 소재의 기계적 특성, 열전 물성을 측정해 이를 세포형 소재값으로 적용하기 위한 전산모사 (simulation)를 진행했다. 직육면체의 최적의 종횡비(aspect ratio)를 계산하고 이를 세포형 소재의 기본단위인 중공육각기둥 (hollow hexagonal column)의 종횡비에 대입했다. 해당 기본단위를 구조화하여 벌집구조의 세포형 소재의 도면화, 전산모사를 진행해 각 열전소재 형태 별로 발전효율을 계산하였다. 전산모사 결과 벌집구조의 세포형 소재의 발전효율이 직육면체 소재 대비 약 26% 향상됐음을 확인했다. 이는 세포형 소재의 구조적 특수성으로 인해 열전소재와 접촉되어있는 전극의 열확산을 억제하였기 때문이다. 뿐만 아니라, 열전소재에 국부적인 물리적 충격을 가했을 때 세포형 소재는 충격을 소재 전체로 분산시켜 기계적 강도 및 내구도가 더 높았다. 3. 기대효과 이번 연구로 3D 프린팅 기술을 구리-셀레나이드 열전소재에 적용하는 데 성공했으며, 나아가 기계적 강도와 열전효율을 향상시켰다. 무기물 결합제를 첨가한 열전 잉크 제작 기술은 열전성능을 저하하지 않고, 3D 프린팅에 활용될 수 있어 물성저하를 억제해야하는 반도체 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 또한 가벼우면서도 내구도 및 발전효율을 향상시키는 구조를 구현할 수 있어 하중을 최소화해야 하는 우주-항공 기술 및 자동차 산업에 적용될 수 있을 것이라 기대된다. |
|
[붙임] 그림설명 |
|
그림 1. 열전소재 구조별 열전효율을 전산모사를 통해 계산함 (a) 직육면체, (b) 중공육각기둥(가운데가 빈 육각기둥), (c) 벌집구조 형태의 구리-셀레나이드 열전소재의 온도분포 모식도, (d) 전산모사를 통한 형태별 구리-셀레나이드의 열전효율. |
|
그림 2. 구리-셀레나이드(Cu2Se)의 3D 프린팅 공정. 새롭게 개발된 3D 프린팅용 열전소재 잉크를 활용해 중공육각기둥을 단위 세포로 하는 세포형 구조의 구리 셀레나이드를 프린팅 함. |
|
그림 3. 열전 소재 형태별 열전발전기 성능 비교 (a) 직육면체, (b) 중공육각기둥, (c) 벌집구조 형태의 구리-셀레나이드 열전소재를 쓴 발전기 모식도 및 단면도, (d) 구조에 따른 열전소재의 출력 전압 및 출력전력, (e) 출력 전력 밀도. |
|
UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr TEL : 052)217-1230FAX : 052)217-1229 |
