'열전효과'는 열에너지를 전기에너지로 또는 그 반대로 에너지를 바꾸는 현상이다. 이 효과를 이용하면 지열, 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 활용해 전기를 생산할 수 있다. 즉, 열전효과를 이용하는 열전발전기를 만드는 것이다. 열전발전기는 보통 열이 나오는 열원에 직접 부착해 작동한다. 마찬가지 방법으로 보일러 배관이나 자동차 배기가스관에서 나오는 열로 전기로 바꿀 수 있는 기술이 나왔다. 3D 프린터로 관 모양에 꼭 맞는 ‘열전발전기’를 찍어내 열을 효과적으로 거둬들이고 전기를 만드는 방식이다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학부 손재성 교수팀은 열전 잉크를 합성하고 압출형 3D 프린터로 '열원 일체형 열전발전기'를 제작하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 

3D 프린터는 열전 잉크를 열원 모양에 맞춘 열전 소재로 찍어낸다. 이 열전 소재를 조립해 만든 열전발전기는 기존과 유사한 성능을 가진다.

기존의 직육면체 소재로 만든 평판형 열전발전기는 열에너지 회수에 한계가 있다. 열원 표면이 평평하지 않아 평판형 열전발전기가 제대로 접촉하지 못하는 탓이다. 이때 생기는 열 손실은 발전기 출력에 매우 치명적이다.

이 문제를 풀기 위해 손 교수팀은 3D 프린터로 열전 소재의 형상을 열원 모양과 크기에 꼭 맞게 제작하고 이를 이용해 열원 일체형 열전 발전기를 개발했다. 잉크를 이용해 입체적인 물체를 만드는 3D 프린팅 공정을 이용하면 소재 형상을 자유롭게 바꿀 수 있다는 점을 활용했다. 그 결과 열전발전기는 열원과 하나처럼 붙었고 열 손실도 최소화할 수 있었다.

손 교수는 "3D 프린팅 기술은 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작 등에 따른 비용도 줄일 수 있어 경제적이고 효율적"이라며 "3D 프린터를 이용한 열원 일체형 열전발전기는 초고성능 열전 발전 시스템의 개발 가능성을 보여준다"고 말했다.

특히 이번에 개발된 열전 잉크는 끈적거리는 점탄성을 가지면서도 프린팅했을 때 전기적 특성을 유지한다. 비결은 유기물 없이 무기물만으로 열전 잉크를 만든 데 있다. 실제로 이번에 개발한 열전 잉크의 성능지수는 0.6(n형), 0.9(p형)으로 상용화된 평판형 열전소재의 성능지수(0.5~1.0)와 비슷했다.

제1저자인 김민석 신소재공학부 석‧박사통합과정 연구원은 "기존의 3D 프린팅 잉크는 유기물 결합제(binder)를 이용해 점탄성을 확보하는데 이 경우 전기적 특성이 크게 떨어진다”며 “이번에 무기물 결합제를 이용함으로써 열전 잉크의 점탄성과 열원 형상에 맞춰 찍어낸 열전 소재의 전기적 특성을 얻었다”고 말했다.

이번 연구는 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어사업(파동에너지극한제어연구단), 해외우수연구기관유치사업, 나노소재원천기술개발사업 등의 지원으로 이뤄졌다. 연구에는 이번 연구에는 미국 일리노이대 어바나 샴페인 캠퍼스의 권범진 박사와 윌리엄 킹 교수, UNIST 신소재공학부의 채한기 교수, 한국기계연구원 부설 재료연구소의 김경태 박사, 한국전기연구원의 김봉서 박사와 이지은 박사가 참여했다. 

이번 연구 성과를 담은 논문은 과학저널 '네이처 에너지(Nature Energy)' 이달 15일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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