전 세계적으로 에너지 위기와 전력 수급에 대한 위기감이 높아지면서 폐열을 재활용하기 위한 연구에 주목하고 있다. 한국전기연구원(KERI) 창의연구센터박수동박사팀이산업장소각로, 자동차배기가스 등으로 전기를 생산하는 세계 최고 수준의 '열전 발전(Thermoelectric Generation) 기술'을 개발했다. 향후 욕실 물이나 건물외벽의 복사열을 이용해 전기를 생산할 것으로 보인다.
KERI 창의연구센터 박수동 박사팀이 최근 세계 최고 수준의 중·저온용 열전 발전 모듈과시스템 개발에 성공했다. 산업화 분기점인 10% 이상 변환 효율을 갖는 친환경, 고성능 열전 발전용 모듈이다.
열전 발전이란 서로 다른 두 종류의 금속이나 반도체에 온도 차가 생길 때 발생하는 전압(제벡Seebeck 효과)을 이용해 열에서 전기를 생산하는방식이다. 화석연료를 쓰지 않고도 폐열을 전기에너지로 회수할 수 있다. 특히 공장이나 자동차 폐열,생활 폐수 등 열원이 다양하며, 고체 전자 회로로 직접 발전하기에 기존 발전 방식에 비해 구조도 간단하다. 또한, 전기를 만들 때 CO2 배출이 전혀 없고,소음과 진동도 거의 없어 기존 방식을 대체하는 그린에너지 기술로 주목받는다.
연구팀은 신재료 개발 → 재료 설계 → 소자 설계→ 접합 및 소자 배열 → 시스템 구축에 이르기까지구조화 융합 연구·개발(Atom to System)을 통해열전 발전의 실용화를 위한 통합 기술 개발에 성공했다. 먼저 차세대 열전 발전 물질인 마그네슘 실리콘 물질과 아연계 화합 물질의 개발 그리고 소자화(전기를 만드는 최소 단위 복합체 구성)에 성공했다. 이를 통해 기술의 상용화·산업화를 위한 10%이상 에너지 변환 효율을 넘어 최대 12.1% 변환 효율을 나타내는 광대역 열전 발전용 모듈을 개발했다. 일본에서 공식 기록한 12%대 변환 효율에 이어동일 온도대에서 세계에서 두 번째로 높은 수준이다. 전 세계적으로 산업용 폐열을 활용한 열전 발전분야 산업화·상용화에서 일본을 따라잡을 수 있는기술을 일거에 확보한 셈이다. 또한, 자체 개발한 반도체 열전 소재로 저온과 중온에서 열전 변환 효율이 높은 재료를 적층형 복합 모듈(저온 및 중온용소자 이중 배치) 개념으로 시스템을 구현함으로써세계적인 기술 개발 능력을 보유했음을 입증했다.
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지금까지 몇몇 선행 연구자가 열전 발전 이용에관한 흥미로운 결과들을 발표했으나, 학문적 이론연구에 머물러 전력을 실제 생산하는 소자화 기술에 대한 산업계의 수요에 대응하지 못했다. 특히 기존 열전 소자용 재료는 열전 발전 보급 활성화와 상업화를 위한 변곡점인 10% 변환 효율을 달성하지못했다. 또한, 중온용 모듈 제작에 관한 연구는 거의이뤄지지 않았다. 우리나라에서도 일부 연구 기관과 대학에서 열전 재료에 관한 연구를 수행하지만,주로 재료 특성에 관한 기초 연구와 부분 연구에 치중해 산업계가 원하는 소자 제작 기술이 부족했다.
KERI 연구팀이 개발한 열전 발전 기술은 순수하게 자체 개발한 소재와 모듈화를 통해 짧은 역사를지닌 열전 발전 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보하고, 독립적 기반을 구축했다는 점에서 뜻깊다. 태양광, 풍력 등 신재생에너지는 일기 변화에따라 24시간 전기를 얻을 수 없기에 아무리 생산량을 늘려도 필요한 시간에 전기를 공급하기 어렵다.
반면, 열전 발전은 열원만 있으면 24시간 에너지를공급할 수 있다. 이 기술을 활용하면 열전 발전 분야에서 가장 경쟁력이 있는 온도대인 온도 차 400℃일 때, 세계 최고 성능인 단위 면적당 1.5㎾/㎡ 출력을 낸다.
박수동 박사는 "일상에서 소비하는 에너지의 1/3이상은 폐열로 버려지는데, 이것을 전기에너지로변환할 수 있는 유력한 기술이 열전 발전이다"면서, "개발한 중온 열전 모듈 제작 기술은 소각로, 자동차 폐열 등을 재활용할 수 있는 세계 수준의 친환경기술이며, 이른 시일 안에 국내 관련 기업에 기술을이전할 예정이다"고 말했다.
박수동 박사팀은 이번 성과와 관련해 세계 최고 성능의 4개 물질 군(Mg2Si계, Zn4Sb3계, AgSbTe2,Bi2Te3계)을 개발했다. 현재 13건을 국내외에 출원해 이미 5건의 국내 물질 특허를 획득했다. 대기업및 일부 중소기업과 관련 기술 이전을 협의 중이며,개발한 발전 소자의 장기 신뢰성 평가 및 기업 맞춤형 소자화 기술 개발을 추진할 예정이다.
※ 열전 발전 : 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술이다. 고온 부분과 저온 부분 사이 온도 차로 발생한 열이 이동하려는 에너지를 전기에너지로 변환하는 개념이다. 두 종류의 서로 다른 금속을 접속한 재료(소자) 양단에 온도 차를 주면 기전력이 발생하는 제벡 효과를 이용해 p, n 반도체 재료 양단에 온도 차가 존재할 때 열에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 태양광과 풍력 등은 기후 변화에 영향을 받지만, 열전 발전은 열원을 안정적으로 확보하면 24시간 발전할 수 있다. 특히 고체 전자 회로를 이용하므로 구조가 간단하고, 열원이 다양해 지구 온난화와 고유가에 대응하는 대체 그린에너지 기술로 주목받는다. KERI는 1990년 이후 열전 발전 재료, 모듈, 시스템을 연구 개발해 왔으며, 소각로 저온 폐열을 이용한 10㎾급 열전 발전 시스템 개발을 실증한 바 있다.
<Energy News>
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