열전소자는 열에너지를 전기로 변환하는 에너지 소자로, 열을 가하면 전기를 생성하고 전기를 가하면 흡열 반응을 하는 특성을 갖고 있어 온도계나 냉각 장치 등에 사용되고 있다. 이 중 발전 동작온도가 400~600℃인 중온 열전소자는 자동차 폐열 회수, 우주탐사선 전력용 등 다양한 신규 열 활용 발전분야에 적용할 수 있어 주목받고 있는 기술이다. 하지만 아직까지 낮은 발전 효율이 현장 적용을 늦추는 요인으로 작용한다.
한국에너지연구원 박상현 박사팀이 개발한 중온열전소자 [제공=한국에너지기술연구원] |
연구팀은 대표적인 중온 열전소자인 스쿠테루다이트 열전소자를 구성하는 금속화층으로 철-니켈(Fe-Ni)층을 개발하고 적용함으로써 기존 기술 대비 개선된 장기 신뢰성과 높은 출력밀도 두 가지 특성을 동시에 확보했다. 중온 열전소자는 크게 열을 받아 전기를 생산하는 열전소재 부분과 열전소재들을 배열하고 고정시켜주는 기판부로 나뉜다. 열전소재와 기판부를 연결하기 위해서는 다양한 추가 기능층이 필요한데, 이 중 열전소재 표면에 접합된 금속화층은 두 파트가 원활하게 연결될 수 있도록 유도하는 기능을 한다.
이 금속화층은 고온에서 열전소재, 혹은 기판물질이 서로 확산돼 열화되는 것을 막아주는 역할을 하는데, 스쿠테루다이트 열전소자에 일반적으로 사용되는 티타늄(Ti) 금속화층은 확산을 방지하는 기능이 부족해 소자를 장시간 사용하지 못했다.
연구팀은 티타늄 금속화층을 대체하는 철-니켈 금속화층을 개발해 확산방지 성능을 대폭 개선했다. 또 열전변환 출력밀도 2.1W/cm2를 기록, 기존 기술 대비 20% 향상된 수준의 성능을 구현했다.
박상현 박사는 “이번에 개발한 기술은 세계최고 수준의 열전발전 관련 소자기술을 확보한 것”이라며 “고온에서 오랜 기간 작동하더라도 성능 저하를 최소화할 수 있어 다양한 열 관련 발전분야에 적용될 수 있는 가능성이 커질 것”이라고 밝혔다.
구본혁 기자/nbgkoo@heraldcorp.com