우주 탐사 핵심 원자력전지 성능 제고
‘신 열전효율 공식·열전발전소자’ 개발
세계 최초로 온도 분포 정밀분석 구현 
구간 최고 성능 열전반도체 최적 배열

연구원이 열전 물질의 성능을 측정하고 있다

한국전기연구원(KERI) 박수동·류병기·정재환 박사팀이 우주 탐사선의 핵심인 원자력전지 성능을 높일 수 있는 ‘신 열전효율 공식 및 고효율 적층형 열전발전소자’를 개발하고, 독일항공우주연구원의 검증까지 받는데 성공했다.
원자력전지에는 저온부터 고온까지 각 온도대에서 최고 성능을 나타내는 열전반도체들이 적층 형태로 배열된 특징적 구성을 통해 구현된다. 
그 이유는 열전반도체 물질의 성능이 온도에 따라 다르기 때문에 온도 분포에 맞게 최고 성능의 반도체를 배치하는 것이 매우 중요하기 때문이다. 
KERI의 성과는 이러한 온도 분포를 세계최고 수준으로 명확하게 분석하고, 이를 기반으로 최적의 ‘적층형 열전발전소자’를 설계·합성한 것이다.
연구팀은 ‘열전성능지수(ZT)가 작아도 오히려 효율이 높아지는 일명 ‘ZT 완전역전’ 현상을 찾아내고, ZT의 오류 및 한계를 공식적으로 밝혀내고, 정확한 데이터를 산출할 수 있는 ‘신 열전효율 공식’을 개발하는데 성공했다. 
이 공식과 적층 설계 프로그램을 이용하면 고효율화를 위한 수백만 개 이상의 열전반도체 적층 조합 예측이 가능하다. 
설계·탐색 시간도 수백 배 이상 빠르다. 
ZT를 기반으로 1개 단위 열전반도체의 성능에 의존하거나, 과거 경험만을 바탕으로 진행했던 기존 방식과 비교하면 엄청난 혁신이다.
KERI 연구팀은 이러한 원천기술을 이용해 설계된 적층형 열전발전소자를 실질적으로 합성하는 데 성공했다. 
실험을 통해 섭씨 500도 이상의 조건에서 기존 단일방식 소자보다 효율이 무려 3% 이상 높은 것도 확인했다.
뿐만아니라 수 밀리미터(mm) 높이에서 2~4층의 적층을 가능하게 하는 소자의 설계 및 합성 기술까지 확보함으로써 고효율화는 물론, 소형화·경량화까지 이뤘다. 
이는 민수 분야에서도 주목하는 소형 위성, 탐색 로버 등의 보조전원 시장에서도 적용 가능한 국제적으로 경쟁력 있는 성과다.
KERI 박수동 박사는 “이번 성과는 재료과학에 수학과 물리학까지 도입된 융합연구의 결정체”라고 자평했다.
KERI의 기술은 산업부 지원으로 이뤄진 국제 공동연구를 통해 독일항공우주연구원의 성능 검증까지 마쳤다. 
박수동 박사는 지난 9월 말, 독일 드레스덴에서 열린 ‘한-독 열전발전 워크숍’에서 현지 기업들을 대상으로 관련 기술을 소개하고, 호평을 받기도 했다. 
KERI와 독일항공우주연구원은 ‘소자’ 단위로 범위를 넓힌 이번 성과를 활용해 다른 물질계를 활용한 ‘하이브리드형 적층 복합 열전발전소자’를 함께 개발하겠다는 목표를 공유하는 등 협력 관계를 강화하고 있다.
독일항공우주연구원 쾰른 재료연구소의 열전기능물질 연구부 Pawel Ziolkowski 부부장은 “KERI 열전발전 기술이 국제적으로도 우수한 수준을 자랑한다”라고 밝히며 “신개념 열전방정식이 적용된 소자가 원자력전지의 성능을 크게 높이고, 인류의 우주 탐사 영역을 넓히는 데 기여할 것”이라고 전했다.
연구팀은 이번 성과가 원자력전지를 활용하는 우주항공 및 국방 분야는 물론, 통신 장비 및 광학 장치의 냉각, 전기차 배터리의 온도 제어 등 다양한 산업에도 활용될 수 있을 것으로 보고, 유관기관·기업과의 협력을 강화한다는 계획이다.