사진 왼쪽부터 손재성 교수, 주혜진 연구원, 추승준 연구원, 채한기 교수. UNIST 제공
열전발전기의 내구성과 효율을 크게 개선하는 기술이 나왔다.
UNIST(울산과학기술원) 신소재공학과 손재성 · 채한기 교수팀과 애리조나 주립대 권범진 교수는 열전소재인 구리-셀레나이드(Cu2Se)를 벌집 형태로 3D 프린팅해 이같은 기술이 가능하다고 15일 밝혔다.
열전발전은 온도차를 전기로 바꾸는 차세대 발전이다.
이는 공장이나 항공기, 자동차에서 나오는 폐가스의 열을 전기로 바꿀 수 있어 에너지 재활용 기술로 주목받고 있다.
열전소재 양 끝단에 온도차가 생기면 소재 내부에 전류가 흐르는 힘이 생기는 원리(제벡효과)를 이용하는 것이다.
하지만 열전소재는 다른 소재군과 비교해 충격 등을 견디는 내구성이 약하다.
또 작동 과정 중에 반복적으로 열 팽창과 수축, 기계 진동에 노출된다. 미세균열과 같은 구조적 손상을 입기 쉽다.
이 때문에 내구성을 보완하는 새로운 기술이 필요했던 것.
공동 연구팀은 열전소재를 세포형 구조(cellular architectures)로 제작하는 기술을 새롭게 선보였다.
세포형 구조는 단위 세포구조 여러 개가 빈틈없이 연결된 형태를 말한다.
벌집처럼 단위세포를 육각기둥 형으로 만들면 외력을 효과적으로 분산시킬 수 있으며 열전소재 원료를 더 적게 써 경량화도 가능하다.
구리-셀레나이드(Cu2Se)의 3D 프린팅 공정. UNIST 제공
제1저자인 UNIST 신소재공학과 추승준 연구원 "이번 실험에서는 구리-셀레나이드 소재를 세포형 구조로 제작해 기계적 강도를 크게 높였다"고 말했다.
이어 "본래 이 소재는 고온대역(약 800℃)에서 열전성능이 뛰어나지만 열팽창에 의해 내구성이 쉽게 약화다"고 덧붙였다.
연구팀은 3D 프린팅용 잉크를 만들기 위해 무기물 결합제(셀레늄)를 사용했다.
점도가 높은 잉크형태로 열전소재를 만들려면 결합제가 필요한다. 일반적으로 쓰는 유기물 결합제는 열처리 공정으로 완벽히 제거되지 않는다.
잔류 유기물 결합제는 전기전도도를 떨어뜨려 열전소재의 효율을 낮춘다.
게다가 벌집구조는 직육면체 평판 형태 발전기보다 온도차를 전기로 변환하는 성능이 26% 이상 높았다.
벌집 구조가 열전소재에 붙은 전극의 열 확산을 억제하는데 효과적이기 때문이다. 열이 주변부로 확산돼 온도차가 줄면 열전발전 효율이 낮아진다.
손재성 교수는 "3D 프린팅 기술로 소재의 기계적 물성을 보완하는 복잡한 구조를 구현하고, 버려지는 원료 손실도 최소화 할 수 있는 뛰어난 기술"이라고 말했다.
그러면서 "경량화와 내구성이 동시에 필요한 우주·항공 기술과 자동차 산업에 응용할 수 있을 것이다"고 기대했다.
이번 연구는 세계적 과학저널 '네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 지난 10일 온라인판에 발표됐다.