(좌측부터)신동준 박사–1저자, 류기훈 연구원–1저자, 김상태 교수–교신저자, 최원준 교수–교신저자

한양대학교-고려대학교 공동연구팀이 저등급 폐열을 효과적으로 회수하여 전기로 변환할 수 있는 새로운 상전이 기반 열전갈바닉(thermogalvanic) 에너지 수확 기술을 개발했다. 이 기술은 저등급 폐열을 활용한 에너지 효율성을 극대화할 수 있는 잠재력을 지니고 있어, 향후 에너지 산업에 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

한양대학교 원자력공학과 김상태 교수, 고려대학교 기계공학부 최원준 교수 연구팀은 고체에서 액체로, 또는 그 반대로 상전이하는 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 활용하여 열전갈바닉 소자의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 발표했다. 이번 연구 결과는 해당 분야 세계 최고 학술지인 'Energy & Environmental Science'(IF=32.4, 상위 0.3%)에 2024년 8월 15일 자로 온라인 게재되었으며, 에너지 및 차세대 배터리 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

□ 저등급 폐열 회수의 어려움

전 세계적으로 에너지 효율성이 중요한 이슈로 떠오르는 가운데, 저등급 폐열(상대적으로 중저온 영역에서 온도 차이를 가지는 열원을 의미)은 활용되지 못하고 버려지는 에너지원 중 하나로 간주되고 있다. 공장, 발전소, 자동차 등 다양한 산업 설비 및 응용 기기에서 발생하는 저등급 폐열을 효율적으로 회수할 수 있다면, 이는 미래 에너지 절감과 탄소 배출 감소에 큰 기여를 할 수 있다. 예를 들어 전기자동차, 전자기기, 반도체 등에서 불가피하게 발생하는 발열 현상을 역으로 전기에너지로 변환하는 기술이 성공적으로 개발될 경우 그 파급효과는 막대하다고 할 수 있다.

□ 기존 저등급 폐열 회수 기술의 한계 극복을 위한 새로운 솔루션 제시

기존 폐열 회수 기술은 폐열 발생 환경에서 온도 차이를 계속 유지하는 데에 한계가 있어 지속적인 에너지 생성이 어렵다. 반면 이의 대안으로 제시되고 있는 기존의 열전갈바닉 소자는 단일 상(고체) 전극을 사용하는 메커니즘으로 인해 성능 제한이 있어 저등급 폐열을 효율적으로 회수하는 데 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구팀은 고체-액체 상전이 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 활용하여 열전력(온도차에서 생성되는 전기에너지)을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 솔루션을 제시했다.

□ 상전이 기반 열전갈바닉 소자의 원리와 구현 성능

이번 연구에서 개발된 상전이 기반 열전갈바닉 소자는 나트륨-칼륨(Na-K) 합금 전극을 사용하여 상전이 과정에서 열전력을 극대화했다. 본 연구팀은 이 합금 전극이 상전이 온도 구간을 지날 때, 즉 고체에서 액체로 또는 액체에서 고체로 변환될 때 발생하는 엔트로피 변화가 열전력에 큰 영향을 미친다는 점을 발견했다. 특히, 상전이 과정에서 열전력이 최대 26.1 mV/K까지 증가하는 것을 확인했으며, 이는 기존 열전갈바닉 소자에서 구현된 열전력보다 10배 이상 높은 수치이다.

이번 연구의 핵심은 상전이 과정에서 발생하는 열역학적 엔트로피 변화를 활용하여 열전력을 크게 증가시킬 수 있는 새로운 전극 설계와 전해질 조합을 개발한 것이다. 이를 통해 기존 기술에서 구현할 수 없었던 고효율의 열전갈바닉 소자를 구현할 수 있었으며, 이러한 기술은 저등급 폐열을 고효율 전력으로 변환하는 데 큰 역할을 하는 것과 동시에 배터리를 포함한 다양한 전기화학 소재-소자-부품 연구에 기여할 수 있다.

최원준 교수는 "이번 연구의 핵심 의의는 저등급 폐열-발열을 활용가능한 에너지원으로 전환하는 새로운 솔루션을 제시한 것"이라며, "이 기술은 다양한 열원에서 에너지를 회수하여 전기에너지로 변환하는 데 있어 중요한 역할을 할 것이며, 이를 통해 반도체, 전자기기, 전기자동차, 산업 설비에 이르기까지 다양한 곳에서 발생하는 폐열과 발열을 에너지로 회수하는 효율성 극대화 기술의 초석이 될 수 있을 것입니다."라고 강조했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업 및 한국연구재단 선도연구센터, 중견연구사업 등의 지원을 통해 이뤄졌으며 에너지 및 환경 분야 세계 최고 학술지인 'Energy & Environmental Science'에 온라인 게재되었다.

자료1. 상전이 기반 고효율 열전지(좌측 고체상 전극, 우측 액체상 전극)

자료2. 상전이 기반 고효율 열전지 작동원리

자료3. 상전이 기반 고효율 열전지를 통한 에너지 하베스팅