UNIST, 차세대 발전 ‘열전발전기’ 내구성·효율 개선 기술 개발

열전 소재 벌집 형태로 3D프린팅…"항공 기술·자동차 산업에 응용 가능"

울산과학기술원(UNIST)이 차세대 발전으로 꼽히는 열전발전기의 내구성과 효율을 개선하기 위해 열전 소재를 벌집 형태로 3D 프린팅하는 기술을 개발했다.

15일 UNIST에 따르면 신소재공학과 손재성·채한기 교수 연구팀과 미국 애리조나 주립대 권범진 교수는 열전 소재인 구리-셀레나이드를 잉크로 만들어 벌집 형태로 3D 프린팅하는 데 성공했다.

열전발전은 온도 차를 전기로 바꾸는 차세대 발전이다.

열전 소재 양 끝단에 온도 차가 발생하면 소재 내부에 전류가 흐르는 힘이 생기는 원리를 이용한다.

공장이나 항공기, 자동차 등에서 나오는 폐가스의 열을 전기로 바꿀 수 있어 에너지 재활용 기술로도 주목받고 있다.

열전발전기 핵심인 열전 소재는 다른 소재와 비교해 충격 등을 견디는 내구성이 약하고, 작동 중 반복적으로 열팽창과 수축, 기계 진동에 노출돼 미세 균열과 같은 구조적 손상을 입기 쉬운 단점이 있다.

이에 연구팀은 열전 소재를 단위세포 구조가 여러 개 빈틈없이 연결된 형태인 ‘세포형 구조’로 제작했다.

벌집처럼 단위세포를 육각 기둥 모양으로 만들면 외력을 효과적으로 분산시킬 뿐만 아니라 열전 소재 원료를 더 적게 써 경량화도 가능하다.

연구팀은 구리-셀레나이드를 3D 프린팅용 잉크로 만들기 위해 무기물 셀레늄 결합제를 사용했다.

점도가 높은 잉크 형태로 열전 소재를 만들려면 결합제가 필요한데, 일반적으로 쓰는 유기물 결합제는 열처리 공정으로 완벽하게 제거되지 않아 전기 전도도를 떨어뜨려 효율을 낮추는 문제가 있기 때문이라고 연구팀은 설명했다.

벌집 형태의 열전 소재로 발전기를 만들었을 때의 성능 실험 결과에서는 직육면체 평판 형태의 발전기보다 온도 차를 전기로 변환하는 성능이 26% 이상 높은 것으로 확인됐다.

이는 벌집 형태가 열전 소재에 붙은 전극의 열 확산을 억제하는 데 효과적이기 때문으로, 열이 주변부로 확산해 온도 차가 줄어들면 열전발전의 효율이 낮아진다.

손재성 교수는 “3D 프린팅 기술로 소재의 기계적 물성을 보완하는 복잡한 구조를 구현하고, 버려지는 원료 손실도 최소화했다”며 “경량화와 내구성이 동시에 필요한 우주·항공 기술과 자동차 산업에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 6월 10일 자 온라인판에 발표됐다.

연구는 삼성전자 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

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