백정민 교수 [사진출처=성균관대학교]
백정민 교수 [사진출처=성균관대학교]

[한국강사신문 안상현 기자] 성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 UNIST 신소재공학과 손재성 교수 연구팀과 함께 마찰 전하 및 열전 캐리어 커플링 효과를 통해 열전 에너지 하베스터의 출력을 반영구적으로 향상시키는 기술을 개발하였다고 밝혔다.

열전 에너지 하베스팅 기술은 외부에서 열이 가해질 때 소재 양단의 온도차로 인해 발생하는 전위차로 에너지를 생산하는 기술로, 단순한 구조, 낮은 유지비용, 높은 신뢰도 등의 장점으로 산업 현장 등에서 발생한 폐열을 지속가능한 에너지 생산으로 전환할 수 있는 좋은 해결책으로 평가되고 있다.

지금까지는 열원부와 열전 소자 사이의 접촉 저항 및 소자 내부 저항 때문에 에너지 변환 효율이 미비하였으며, 소재의 역률(power factor)에 의한 한계로 출력의 최적화를 이루지 못하여, 상용화 수준의 출력을 달성하지 못했다.

* 역률(power factor): 열전소자 모듈이 생산하는 전력 밀도를 평가할 때 사용하는 성능지수로, 소재의 제백 계수의 제곱과 전기전도도의 곱으로 계산

* 제백 계수(Seebeck coefficient): 단위 온도당 소재 내부에 생성되는 전압차의 상관관계를 나타내는 계수이며, 제백 계수가 높은 물질을 열전 소재라고 부름

위의 한계를 돌파하고자 백정민 교수 연구팀은 상온에서 ZT(열전성능지수) 값이 가장 높은 BiSbTe 기반 열전 소자의 저온부에 반영구적으로 높은 음전하를 함유할 수 있는 폴리이미드 계열 소재를 개발 및 부착하고 열전 소재 내부의 캐리어들과 결합 효과를 유도하였다.

이를 통해 기존 출력 대비 4배 이상 출력이 증가하였으며 세계 최고의 출력전압(기존보다 2배 증가)을 달성하였다.

이 기술은 음전하 생성을 위한 외부의 물리적인 마찰 효과가 필요 없어 반영구적으로 작동되는 이점이 있다.

백정민 교수는 “이 연구는 기존의 열전 에너지 하베스팅의 한계점인 낮은 출력전압과 에너지 변환 효율을 개선할 수 있는 새로운 방향성을 제시할 것이며 에너지 하베스팅 뿐만 아니라 열전 냉각 효과에도 탁월한 성능을 보일 것 ”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials(IF: 29.698)에 12월에 게재되었다. 백정민 교수팀은 관련 특허 2건을 출원한 상태이며, 향후 열전 에너지 하베스팅을 다양한 분야에 적용할 수 있도록 연구를 진행 중이다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 및 BRIDGE연구개발사업의 지원으로 수행되었다.

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