공장 굴뚝의 폐열, 자동차 배기열, 체열까지 전기로 전환할 수 있는 가능성이 크게 넓어졌다. 포항공과대학교(POSTECH) 화학공학과 연구팀은 한국전기연구원과 공동으로 세계 최초로 3차원(3D) 구조와 열 경계조건을 동시에 고려한 열전 소자 설계 원리를 제시하고, 이를 실제 제작 소자에 적용해 성능을 입증했다고 8일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 영국 왕립화학회 ‘에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 실렸다.
열전 효과는 열을 전기로, 전기를 다시 열로 바꾸는 현상으로, 자동차 폐열 회수와 우주 탐사선 전력 공급 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 지금까지의 이론은 70여 년 전 제시된 1차원 구조에 머물러 실제 3차원 환경에서 작동하는 복잡한 소자를 최적화하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 열전 소자가 놓일 수 있는 실제 환경을 여덟 가지 유형으로 정리하고, 구조 변화에 따른 내부 전기저항과 열전도율을 반영한 ‘G 인자(Geometric factor)’라는 새로운 설계 지표를 도입했다. 이를 통해 최대 출력이나 최대 효율을 내는 최적 구조를 이론적으로 찾아낼 수 있게 했다.
제작된 다양한 단면 구조 소자를 실험한 결과, 기존 단순 원통형 대비 출력은 최대 422%, 효율은 최대 466% 향상됐으며, 사용 재료는 67% 절감됐다.
손재성 교수는 “이번 연구는 70여 년간 공백으로 남아 있던 3차원 열전 소자 설계 이론을 처음으로 제시한 것”이라며 “자동차 배기가스 회수, 산업 현장의 폐열 활용, 웨어러블 기기 전력원 등 다양한 분야로 확대될 수 있을 것”이라고 했다.
김지윤 기자/hello@sciencewave.k
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