[신기술] 열 에너지 효과적으로 활용하는 기술

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[신기술] 열 에너지 효과적으로 활용하는 기술

2019년 4월 1일 (월) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2019년 4월호 - 전체 보기 )

열 에너지 효과적으로 활용하는 기술
전기변환 및 축열·방열로 효율 극대화

기상청은 올해 여름의 기온이 평년(23.3~23.9℃)보다 높겠고 강수량은 평년과 비슷하거나 적겠다고 전망하고 있다. 특히 여름철 전반에는 이동성고기압의 영향을 주로 받아 고온 건조한 날이 많겠으나, 후반에는 북태평양고기압의 영향으로 무더운 날씨를 보일 때가 있겠다고 분석했다. 올해도 어김없이 이상고온이 예상되는 가운데, 국내 연구진에 의해 태양열이나 전자기기 등에서 발생하는 열을 효과적으로 활용하는 기술들이 개발돼 주목받고 있다.

정리 김경한 기자 | 자료 UNIST, KIST

UNIST 신소재공학부의 손재성 교수팀은 방 안에 켜진 형광등, 100m 달리기를 마친 사람의 몸, 따뜻한 커피가 담긴 머그잔 등에 있는 열을 전기로 바꾸는 ‘열전 기술’에 기여할 소재를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 도시에너지연구단의 신유환 박사팀은 한여름의 뜨거운 태양열을 저장해 난방이나 온수로 활용하는 열배터리의 성능 향상 기술을 발표했다.

초박막형 고배향·고효율 열전소재 제작
기존 대비 전기적 특성 10배 이상 우수
UNIST 신소재공학부의 손재성 교수팀은 한국표준과학연구원의 신호선 박사팀과 공동으로 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’의 결정 구조를 나란히 정렬해 고효율 초박막 열전소재를 만드는 데 성공했다.

이번에 연구팀이 개발한 공정은 ‘재료를 용액에 녹여 열전 잉크로 합성한 뒤(용액공정) 가열하는 방식’이라 손쉽고 저렴하다. 제작된 소재의 성능은 기존 덩어리 (bulk) 형태의 열전소재에 뒤지지 않았으며, 공정 자체도 간단해 다양한 분야로 응용할 잠재성이 크다.

‘열전 기술’은 열전소재를 이용해 열 에너지를 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 열 에너지로 직접 변환하는 기술이다. 이 기술은 소재 양단에 온도 차이가 생기면 전하의 밀도 차이에 의해 전기를 만들어내는 힘(기전력)이 발생하는 열전효과(thermoelectric effect)를 기반으로 한다. 이 효과를 이용해 버려지는 열을 전기로 바꾸는 장치를 열전발전기라 부른다. 열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동하며, 현재 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 발전하는 기술이 널리 쓰인다.

[그림 1] 초박막형 열전소재 설명자료
(a) 열전 잉크 및 박막형 열전소재 제작 과정 모식도
(b) 박막 사진 촬영 이미지
(c) 박막 표면 전자현미경 촬영 이미지
(d) 박막 단면 전자현미경 촬영 이미지

열전발전기는 일반적인 발전기와 달리 구동부나 복잡한 구조가 없기 때문에 성능을 더 높이려면 더 좋은 열전소재를 개발해야 했다. 특히 2014년 처음 보고된 주석-셀레나이드는 성능 면에서 1~2위를 다툴 정도로 촉망받는 열전소재다. 하지만 이 물질의 결정 구조를 제어하기 어려워 기대만큼 우수한 열전 효율을 보이진 못했다.

공동 제1저자인 허승회 UNIST 신소재공학과 석·박사통합과정 연구원은 “주석-셀레나이드는 종이가 층층이 쌓인 책처럼 독특한 층상형 결정구조를 가지며, 이 구조가 나란한 단결정에서 열전효과가 나타난다”며 “종이가 구겨지면 책을 깨끗하게 인쇄할 수 없는 것처럼 다결정 구조에선 높은 열전효율을 얻기 어렵다”고 설명했다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 주석-셀레나이드를 특정한 방향으로 성장시킬 2단계 공정을 개발했다. 1단계 공정에서는 ‘주석-다이셀레나이드(SnSe2)’ 박막을 만들고, 2단계 공정에서 열처리해 ‘주석-셀레나이드(SnSe)’ 박막을 만드는 방식이다. 주석-다이셀레나이드가 특정한 방향으로 잘 성장하는 원소의 일종이라는 점에 주목해 새로운 방법을 고안한 것이다.

공동 제1저자인 조승기 UNIST 신소재공학과 석·박사 통합과정 연구원은 “주석-다이셀레나이드를 가열하면 셀레늄(Se) 원자가 증발하며 주석-셀레나이드가 된다”며 “앞서 형성된 주석-다이셀레나이드 결정이 이정표가 되기 때문에 주석-셀레나이드 결정 구조도 가지런하게 정렬된다”고 설명했다.

이렇게 제작된 주석-셀레나이드 박막은 기존 연구에 비해 전기적 특성이 10배 이상 우수했다. 또한 단결정으로 성장시킨 덩어리 형태의 주석-셀레나이드 소재와 견줄 정도로 높은 성능을 보였다.

손재성 교수는 “원재료에 상당한 고온과 고압을 가하는 기존 방법은 생산비가 비쌀 뿐 아니라 원하는 방향으로 결정을 성장시키기 어려워 성능 확보가 어려웠다”며 “이번 기술은 간편하고 효율적이며 주석-셀레나이드의 결정 방향까지 제어할 수 있어 향후 폭넓게 응용될 것”이라고 기대감을 표했다.

이번 연구에는 서울대학교의 이원보 교수, 한국기계연구원 부설 재료연구소의 강전연 박사, 금오공과대학교의 박노진 교수, 한양대학교의 장재영 교수팀도 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 20일자 온라인판에 발표됐다.

태양열 저장하는 열배터리 기술 향상
열량제어 장치 개발로 성능 2배 높여
‘열배터리’는 한 여름의 뜨거운 태양열을 냉방에 사용하거나 배터리에 저장했다가 한 겨울 난방에 활용한다는 아이디어에서 출발했다. 이 기술은 최근 이상기후로 인한 폭염이나 전력과부하로 인한 블랙아웃, 한 여름의 에어컨 사용으로 인한 전기 누진세를 대비할 수 있는 차세대 대체 에너지 핵심연구로 꼽히고 있다.

[그림 2] 열배터리 시스템 모식도

축·방열하는 상변화물질 캡슐이 보관된 잠열축열조가 병렬적 구조로 연결돼 큰 열저장 탱크를 형성한다.

KIST 도시에너지연구단의 신유환 박사팀은 지난 수년간 도시 에너지로 활용 가능한 열배터리 기술의 성능을 세계 최고 수준으로 올리기 위한 연구를 수행해왔다. 이런 가운데 이 연구팀이 최근 열배터리의 핵심 요소기술인 ‘열량제어장치’를 개발 및 실증해 열배터리 성능을 크게 향상시켰다고 밝혔다.

열배터리 기술의 핵심 소재는 저온 상변화 물질(low temperature phase change material)이다. 이 물질은 고체에서 액체로 상변화할 때 주변의 열을 흡수하고, 반대로 액체에서 고체로 변할 때에는 그 열을 주변으로 방출한다. 처음에 액체 상태인 손난로의 내부에 들어있는 동전 모양의 스위치를 ‘똑딱’ 하고 건드리면, 내부 액체가 하얗게 굳으며 뜨거운 열을 방출하는 휴대용 손난로가 대표적인 예다. 손난로를 사용한 후 재사용하기 위해 물에 넣고 끓이면 그 열을 흡수해 다시 액체 상태로 돌아간다. 이와 마찬가지로 열배터리는 한 낮의 태양열을 저온상변화 물질을 이용해 ‘잠열축열조’라는 탱크에 저정한 후, 사용하고 싶을 때 스위치를 켜 발열시킴으로써 물을 데워 사용하는 원리다.

신유환 박사팀은 항공·우주선에 쓰이던 형상기억 합금과 플라즈마 제어 기술을 열배터리 시스템에 접목해 뛰어난 성능을 보이는 ‘자동열량제어장치’를 개발했다. 이번에 개발된 자동열량제어장치의 핵심은 주변 온도에 반응해 형상이 변하는 형상기억합금의 특성을 이용한 것이다. 이를 응용 개발한 특수 파이프가 열배터리 탱크(잠열축열조)에 적용됨으로써 주변 온도에 따라 관의 지름이 유동적으로 바뀌게 된다. 이를 통해 열 전달 부하를 효과적으로 제어하는 것이 가능하게 돼, 열배터리가 방출하는 열의 온도를 날씨와 상관없이 온수 공급온도인 45℃로 일정하게 유지시켜주는 역할을 한다. 이는 불안정한 공급온수의 온도와 부족했던 온수공급 시간 등의 열배터리 문제점을 획기적으로 개선시켜 주는 시스템이다.

또한 연구팀은 플라즈마 제어 기술 중 하나인 ‘코로나 방전’ 기술을 열교환기에 성공적으로 접목시킨 ‘공랭식 열교환기’를 개발했다. 이 기술은 코로나 방전에 의해 발생하는 유동을 적절히 제어함으로써 공급용수의 온도를 효과적으로 조절할 수 있게 한다. 팬을 이용하던 기존 공랭 시스템을 크게 진보시킨 기술로, 손톱만한 크기로 소형화가 가능하며 기존 팬 대비 1/100 정도의 사용전력으로 구동이 가능하다.

[그림 3] KIST 도시에너지연구단 신유환 박사(가운데)와 신동호 박사(우)가 열배터리 탱크(좌측 푸른색 박스) 안의 상변화 물질에 레이저를 비춘 후, 카메라로 내부 물질의 거동을 확인하고 있다.

KIST 연구진은 이 열교환기를 통해 열배터리 탱크 관내 열 손실이 최대 56% 감소하며, 탱크 내 저장 열량이 기존 온수 저장 탱크 대비 2.2배 증가함을 밝혔다. 온수 발생 시에는 운전시간이 응용기술 적용 전보다 70분 이상 증가하는 것도 실험을 통해 증명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행됐다. ‘자동 열량제어장치’와 ‘공랭식 열교환기’의 연구 결과는 에너지 분야 국제저널인 ‘에너지 컨버전 앤 매니지먼트(Energy Conversion and Management)’ 최신호에 각각 2건이 게재됐다.