"폐열로 전기 만든다"···3D 프린터로 '열전발전기' 개발

손재성 UNIST 교수 연구팀 '열원 일체형 열전발전기' 제작 기술 개발
파이프형 열전 모듈 제작 공정 모식도.<사진=UNIST 제공>파이프형 열전 모듈 제작 공정 모식도.<사진=UNIST 제공>

국내 연구팀이 폐열로 전기를 만드는 열전발전기를 개발했다.

UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)는 손재성 신소재공학부 교수 연구팀이 3D 프린터로 '열원 일체형 열전발전기'를 제작하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

열전효과는 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 바꾸는 현상이다. 열전효과를 이용하면 지열이나 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있다. 이를 열전발전기라고 부른다. 열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동하며 현재 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 발전하는 기술이 널리 쓰인다.

하지만 기존 직육면체 소재로 만든 '평판형 열전발전기'는 열에너지 회수에 한계가 있다. 열원 표면은 대부분 평평하지 않아 평판형 열전발전기가 제대로 접촉하지 못한다. 이때 생기는 열손실은 발전기 출력에 치명적이다.

연구팀은 3D 프린터를 이용해 열전소재 형상을 열원 모양과 크기에 꼭 맞게 제작하고 이로부터 열원 일체형 열전 발전기를 개발했다. 잉크를 이용해 입체적인 물체를 만드는 3D 프린팅 공정을 이용하면 소재 형상을 자유롭게 바꿀 수 있다는 점에 착안했다. 

제1저자인 김민석 UNIST 신소재공학부 석‧박사통합과정 연구원은 "기존의 3D 프린팅 잉크는 유기물 결합제를 이용해 점탄성을 확보하는데 이 경우 전기적 특성이 크게 떨어진다"라며 "이번에 개발한 무기물 결합제를 이용함으로써 열전 잉크의 점탄성과 열원 형상에 맞춰 찍어낸 열전소재의 전기적 특성을 확보했다"고 말했다.

손재성 교수는 "기존 소재의 한계를 넘어선 이번 기술은 자연계에서 열로 변해 손실되는 에너지원 60% 이상을 회수할 효과적인 방법으로도 주목받고 있다"라며 "최초로 선보인 열전소재 3D 프린팅 기술은 다양한 분야에 응용될 것"이라고 기대했다.

한편, 이번 연구는 세계적 과학저널 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 지난 15일자 온라인판으로 발표됐다.
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