우리 연구진이 열전소자 성능을 객관적으로 측정하기 위한 '표준 교정 열전소자(SRTEM)'를 국산화 개발했다. 기존 일본 소자보다 성능을 크게 높였다.
한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 박상현 박사팀이 이같은 성과를 거뒀다고 18일 밝혔다.
열전소자는 한쪽 면은 차가워지고, 반대쪽 면은 뜨거워지는 온도차로 전자 흐름을 만들고 전기를 생산하는 장치다. 반대로 열전소자에 전기를 흘리면 한쪽은 차가워지고 한쪽은 뜨거워진다. 친환경적이고 소형화에 유리해 무탄소 발전과 우주산업에 두루 활용될 수 있다.
다만 열전소자 성능을 객관적이고 정확하게 측정할 수 있는 기술이 부족했다. 특히 측정 장비 오차 교정을 위한 SRTEM은 일본에서 개발한 것이 유일했고, 이마저도 성능이 낮아 정확한 교정이 어려웠다.
이에 에너지연은 교정에 더욱 적합한 열전소자를 개발했다. 기존 소자에 비해 출력전압 등 핵심 지표 성능이 20% 이상 향상됐으며, 300회 이상 운전에도 출력이 떨어지지 않아 우수한 재현성을 입증했다.
연구진은 주로 쓰이는 반도체 파우더 기반 소재 대신 금속 소재를 활용했다. 반도체 파우더는 열전성능이 높지만, 입자 크기·성능이 제각각 생성돼 표준으로 쓰기에 적합하지 않다. 반면 금속 소재는 성능이 안정적이라 표준 소자에 적합하지만 열전성능이 파우더의 10분의 1 수준이다.
연구진은 금속 소재 성능 향상을 위해 '속이 빈 모래시계' 형태의 새로운 열전레그 구조를 개발했다. 열전레그는 열전소자를 이루는 작은 기둥이다. 모래시계 형태 열전레그의 잘록한 허리, 빈 공간은 열 저항을 증가시켜 온도차를 키우고 출력전압을 높인다. 이를 쓴 결과, 기존 열전레그를 썼을 때보다 출력전압이 약 3배 이상 높았다.
연구진은 또 최적의 금속 소재 조합을 연구해 크로멜·콘스탄탄, 크로멜·알루멜로 이뤄진 2종 열전레그를 제작했다. 이 중 크로멜-콘스탄탄 열전레그는 일본 표준 교정 열전소자보다 23.6% 높은 출력전압을 기록했으며, 300회 이상 운전에도 동일 출력을 유지했다.
박상현 박사는 “향후 SRTEM 국제표준화 작업이 진행시 우리나라가 우위를 가질 수 있는 중요한 기술 근거가 마련된 것”이라며, “내년 독일·일본 주요 연구진과 교차 성능 평가로 완성도를 높일 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구는 'ACS 어플라이드 매테리얼 앤 인터페이스' 9월 표지논문으로 선정됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
