▲ 본 연구의 기하학적 형상 설계 및 3D 프린팅 소재의 적층결함 유도를 통한 열전 발전기의 효율 향상 모식도 /그림 1a는 본 연구에서 설계한 형상 8종의 3D 프린팅 및 열처리 공정의 최적화를 통한 고밀도의 미세 적층결함을 나타낸다. 그림 1b는 열처리 공정 온도에 따른 ZT를 나타낸다. 1233 K에서 열처리 했을 때 ZT가 2.0까지 향상함을 알 수 있다. 그림 1c에서는 8가지 형상의 열전소재의 발전효율을 나타낸다. 점선의 경우 시뮬레이션으로 도출한 그래프이고, 각 점은 실제로 측정한 효율을 의미한다.(그림 및 설명=포항공과대학교 추승준 박사후연구원)  © 특허뉴스

폐열을 전기로 변환하는 핵심 소재인 열전소재를 모래시계 형상으로 바꿔 발전 효율을 높인 기술이 첫선을 보였다. 열전소재의 물성에만 의존하던 기존의 연구와는 달리 열전발전에 범용으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 

한국연구재단은 포항공과대 손재성 교수와 조지워싱턴대 사니야 르블랑(Saniya LeBlanc) 공동연구팀이 직육면체 형상에 고착화되었던 열전소재를 형상 설계와 3D프린팅 공정을 통해 새로운 형상을 구현하고, 이를 통해 발전효율을 크게 향상시킬 수 있음을 확인했다고 밝혔다.

열전기술은 말 그대로 열과 전기를 변환하는 기술이다. 공장이나 자동차 엔진, 사람의 체온 등에서 발생하는 열을 전기로 바꾼다는 점에서 지속 가능한 신재생 에너지로 주목받고 있다. 

열전기술의 핵심이 되는 열전소재는 고체 형태의 열전 반도체 소재로 구현되는데, 이때까지 열전발전기 연구는 열전소재의 물성 지표인 열전성능지수(ZT)를 높이는 연구에 집중되었다. 

하지만 향상된 ZT에 비해 열전발전기의 효율이 실생활에 활용될 정도로 높아지지 않아 열전소재의 물성 연구를 넘어선 새로운 접근 방식이 필요한 상황이다. 

공동연구팀은 열전소재의 형상 및 구성을 바꾸는 것만으로 발전효율을 극대화할 수 있음을 이번 연구로 증명했다. 

기존의 직육면체 형상을 비롯해 모래시계 모양 등 8가지의 기하학적 구조를 시뮬레이션하고, 서로 형태가 다른 열전소재의 발전 효율을 측정한 결과 모든 발전조건에서 모래시계 형상의 효율이 월등히 우수함을 확인했다. 

특히 연구팀은 복잡한 형상의 열전소재 제조가 가능한 3D 프린팅 공정을 고도화, 열전소재 내부에 고밀도의 미세 적층결함을 형성해 열전도도를 최소화하고 열전성능지수(ZT)를 2.0까지 향상시켰다. 해당 값은 3D 프린팅으로 제조한 열전소재 중 가장 높은 값이다.

이 같은 실험을 바탕으로 8가지 구조의 열전소재를 활용한 열전발전기를 제작해 효율을 측정한 결과, 기존의 직육면체 기반 열전발전기보다 모래시계 형상 기반 열전발전기의 효율이 약 3.6배 더 향상되었음을 확인했다.

손재성 교수는 “이번 연구는 기존의 열전소재 미세구조 중심의 연구방식을 탈피하고 소재의 3차원 기하학적 구조의 적용을 통해 열/전기 수송 특성을 제어해 효율을 향상시킨 첫 사례”라며 “모든 열전소재에 범용적으로 적용할 수 있고 열전냉각 기술에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

이번 성과는 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 7월 19일 온라인 게재되었다.

논문명은 Geometric design of Cu2Se-based thermoelectric materials for enhancing power generation 이다.