엔진·공장 굴뚝 배기관을 ‘열전 발전기’로 쓴다

UNIST, 3D 프린팅으로 제작한 '열전 잉크소재' 개발
성능 저하 없이 발전 능력 높아 플랜트 배기관 대체 기대
국내 연구진이 엔진이나 공장 굴뚝에 설치된 고온의 배기관을 열전 발전기로 쓸 수 있는 소재 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 손재성·채한기·김성엽 교수팀은 열전소재 입자에 금속을 첨가하는 새로운 방식으로 3D 프린팅이 가능한 '고효율 열전 잉크 소재'를 개발했다고 27일 밝혔다.

열전소재로 배기관을 만들면 가스가 흐르는 배기관 내부와 바깥의 온도 차로 인해 소재 내에 전기를 만드는 힘(기전력)이 생기는 데, 여기에 전극을 추가하면 전기를 만들어 쓸 수 있다.

열전 발전기를 파이프 형태로 만들어 쓰는 이 방식은 사각 평판 형태의 열전 발전기를 파이프(열원)에 붙여 쓸 때보다 열손실이 적고, 더 효율적이다.

연구팀은 400∼800℃도의 배기가스 온도에서 열전 성능이 우수한 '납-텔루라이드 입자'로 열전 잉크소재를 만들었다. 납-텔루라이드 입자에 금속을 도핑하면 입자 표면에 정전기가 생겨 찰흙처럼 고정된 모양을 유지하면서 쉽게 변형이 가능한 '점탄성'을 지니게 된다.

이 잉크 소재는 n형과 p형 열전 소재의 열전 성능지수가 각각 1.2, 1.4로, 덩어리(벌크) 상태의 열전 성능지수와 비슷해 성능이 떨어지지 않는다고 연구팀은 설명했다

또 납-텔루라이드에 나트륨(Na)을 도핑하면 n형 열전소재, 안티모니(Sb)를 도핑하면 p형 열전소재가 돼 두 소재를 전극으로 이어 붙이면 전류가 흐른다. 연구팀은 파이프관에 500℃의 뜨거운 기체가 흐르는 상황을 가정해 시뮬레이션 한 결과, 파이프형 열전 발전기는 파이프 위에 부착한 열전 발전기보다 발전 능력이 1.8배 이상 높은 것을 확인했다.

손재성 UNIST 교수는 "기존 열전 발전기는 공정 한계로 인해 직육면체 열전 소재들로 이뤄진 평판 열전 발전기가 대다수였다"며 "흔한 열원인 공장 배기관이나 수송 수단의 배기관의 열을 전기로 효율적으로 바꿀 수 있어 기존 대형 플랜트 배기관을 대체할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(지난 15일자)' 온라인에 실렸으며, 표지논문으로 정식 출판될 예정이다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr