왼쪽부터 한국전기연구원 류병기·정재환·박수동 박사

열전발전 기술 연구에 대한 기존 패러다임 바꾸는 열전성능지수(ZT) 한계 입증

한국전기연구원(KERI·원장 최규하) 전기변환소재연구센터 류병기·정재환·박수동 박사팀의 열전발전 기술 관련 논문이 응용물리 분야 국제 저명 학술지인 ‘Applied Physics Letters(APL)’ 편집자들의 높은 평가를 받아 상위 10% 최고 논문에 해당하는 ‘Featured Article’로 선정됐다.
해당 연구는 독일 항공우주센터 연구팀(Pawel Ziolkowki 연구원, Eckhard M?ller 교수)과 재료연구소 최은애 박사와 공동으로 수행됐다.
열전발전은 서로 다른 두 종류의 금속이나 반도체에 온도 차이가 생기면 전압이 발생하는 일명 ‘제벡효과’를 이용해 열을 전기로 바꾸는 기술이다.
다른 화석연료를 쓰지 않고도 폐열을 전기 에너지로 직접 회수할 수 있어 친환경적이다.
특히 공장 및 자동차 폐열, 생활폐수 등 활용할 수 있는 열원이 다양하고, 복잡한 장치가 필요 없어 기존 발전방식에 비해 구조가 아주 간단하다.
또한 전기를 만들 때 이산화탄소 배출이 전혀 없고, 소음과 진동이 거의 없다는 장점도 있어 기존 방식을 대체하는 차세대 그린에너지 기술로 주목받는다.
이번 한국전기연구원 연구팀의 성과는 기존 열전발전 효율성을 입증해 온 지표인 ‘열전성능지수(ZT)’의 한계를 명확하게 제시한 논문이다.
열전성능지수(이하 ZT)는 소재의 구동온도/전기전도도/제백계수/열전도도 간 크기의 비로, 그동안에는 이 지수가 높을수록 기술적으로 우수하다는 평가를 받아왔다.
하지만 ZT의 치명적 오류는 열전소재의 물성(physical properties)이 온도에 영향을 받지 않는다는 전제로 만들어진 수치라는 것이다.
실제로는 온도가 바뀌면 물성의 값도 바뀌기 때문에 ZT 자체가 열전성능 평가의 기준이 될 수 없다는 것이 이번 KERI 연구팀의 결과였다.
연구팀은 이미 수년 전부터 이 문제를 제기했지만, 이미 반세기 동안 학계에 뿌리 깊게 자리 잡은 ZT에 대한 의존성을 바꾸기가 어려웠다.
ZT가 상대적으로 이용하기 쉽고, 이미 널리 보편화 된 지표라 새로운 방식을 도입할 필요성을 못 느꼈기 때문이다.
물론 새로운 지표에 대한 발견도 어렵고 이를 명확하게 입증할 수학적 공식도 전무했다.
이에 KERI 연구팀은 수년간 축적한 계산 과학기술을 기반으로, ZT가 작아도 오히려 효율이 높아지는 일명 ‘ZT 완전역전’ 현상을 찾아내는 데 성공했다.
열전 데이터를 수학적으로 기술하고 컴퓨터로 표현하는 방법부터, 열전 물성을 이용해 정확하게 효율을 계산하는 알고리즘까지 연구하여 세계최고 수준의 ‘열전효율 연산 프로그램(pykeri)’을 확보한 것이다.
이 기술은 세계적 항공우주 및 에너지 분야 연구소인 독일 항공우주센터와의 교차검증도 마쳤다.
연구팀의 성과 논문(제목 : Counterintuitive example on relation between ZT and thermoelectric efficiency)은 미국물리협회에서 발간하는 국제 학술 저널인 ‘Applied Physics Letters’에서 최고의 논문 중 하나로 평가되어 상위 10%의 ‘Featured Article’로 선정됐고, 지난 5월 13일에 저널 홈페이지에서도 가장 최상단에 소개되며 높은 관심을 받았다.
KERI 류병기 선임연구원은 “이번 연구 결과는 기존 잘못된 ZT 기반 연구가 아닌, 열전변환 효율 자체가 중심이 되어야 한다는 열전발전 연구의 올바른 방향을 제시하는 것으로, 더 나은 열전변환 소자를 개발할 수 있는 환경을 만들 것이다”고 밝혔다.
향후 연구팀은 열전효율에 영향을 미칠 수 있는 다양한 원인 분석을 통해, 차세대 에너지 소자인 열전발전 기술의 실용화를 앞당긴다는 목표다.