월간전기

열전소자의 성능을 객관적으로 측정하기 위한 ‘표준 교정 열전소자’가 국내에서 최초로 개발됐다. 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 고온수전해연구실 박상현 박사 연구진은 일본에 이어 세계 두 번째로 표준 교정 열전소자를 개발하고, 기존 소자 대비 성능을 20% 이상 높여 국산 기술의 우수성을 증명했다.

열전소자(SRTEM)란 한쪽 면은 차가워지고, 반대쪽 면은 뜨거워지면서 온도의 차이로 인한 전자의 흐름을 만들고 전기를 생산하는 장치다. 반대로 열전소자에 전기를 흘리면, 한쪽은 차가워지고 한쪽은 뜨거워진다. 이러한 특성으로 인해 캠핑용 소형 냉장고, 컴퓨터 등 전자장비에 주로 활용되고 있으며, 친환경적이고 소형화에도 유리해 최근 크게 주목받고 있는 무탄소 발전과 우주산업에 두루 활용될 수 있다.

그럼에도 불구하고, 열전소자의 성능을 객관적이고 정확하게 측정할 수 있는 기술이 아직 부족해 기술 성장이 더딘 편이다. 특히 측정 장비의 오차 교정을 위한 《표준 교정 열전소자》는 일본에서 개발한 것이 유일했다. 이마저도 출력전압, 전력 등 성능이 일반적인 발전용 열전소자 대비 10% 수준에 불과해 정확한 교정이 어려웠다.

에너지연 연구진은 기존 《표준 교정 열전소자》의 단점을 개선하고, 교정에 더욱 적합한 열전소자를 개발하는 데 성공했다. 연구진이 개발한 《표준 교정 열전소자》는 기존 소자에 비해 출력전압 등 핵심 지표의 성능이 20% 이상 향상됐으며, 300회 이상의 운전에도 출력이 떨어지지 않아 우수한 재현성을 입증했다.

연구진은 주로 쓰이는 반도체 파우더 기반의 소재 대신 금속 소재를 활용했다. 반도체 파우더는 작은 온도 차이로 큰 출력전압을 얻을 수 있어 열전성능(Seebeck)이 높지만, 파우더로 만드는 과정에서 입자 크기와 성능이 제각각으로 생성돼 표준으로 활용하기에는 적합하지 않다. 반면, 금속 소재는 성능이 균일하고 안정적이라 표준 소자에 적합하다. 문제는 반도체 파우더에 비해 열전성능이 10분의 1 수준으로 낮다는 점이다.

이에 연구진은 금속 소재의 성능 향상을 위해 ‘속이 빈 모래시계’(Hollow hourglass) 형태의 새로운 열전 레그(열전소자의 구성물) 구조를 개발했다. 모래시계의 잘록한 부분과 빈 공간이 열저항을 증가시켜 양면의 온도차를 키우고 출력전압을 높이는 원리다. 개발된 열전 레그를 적용한 결과, 기존 직육면체 형태의 열전 레그에 비해 출력전압이 약 3배 이상 높게 나타났다.

연구진은 최적의 금속 소재 조합을 연구해 <크로멜-콘스탄탄(Chromel-Constantan)>, <크로멜-알루멜(Chromel-Alumel)>로 이뤄진 2종의 열전 레그를 제작했다. 이 중 <크로멜-콘스탄탄> 열전 레그는 일본의 《표준 교정 열전소자》 보다 23.6% 높은 출력전압을 기록했으며, 300회 이상의 운전에도 동일한 출력을 유지했다.

열전발전(Thermoelectrics) 기술은 ①친환경 무탄소 발전 기술에 대한 시대적 요청과 ②)우주산업의 확대에 대응하여 상당한 주목을 받고 있으며, 차후 연구개발이 가속화될 것으로 예상된다.

이러한 열전발전 기술 향상을 제약하는 핵심 기술적인 이슈 중 하나는 열전소자의 객관적인 성능 분석기술이 부재하다는 것이다. 수십 년간 열전소재와 열전소자의 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 수행되었지만, 그 성능을 측정하는 기법과 기술은 전 세계의 연구소나 대학실험실에서 각자의 방식으로 개별 진행되어 왔다.

열전소자의 객관적인 성능분석 기술의 부재는 각 연구기관별로 제시하는 열전소자의 성능이 크게 차이를 보이는 문제를 발생시킬 수 있다. 실제로 독일 DLR(항공우주센터)의 전 세계 ‘라운드 로빈 테스트’를 통해, 격차가 심각한 문제 상황이 확인되었다.

이번 에너지연의 성과는 각 연구기관의 상이한 성능 측정에 명확한 기준을 제시하고, 향후 지정될 국제표준에 의거하여 상이한 분석장비들 간에 교정을 통해 동일한 환경에서 측정분석이 이루어지게 할 수 있는 핵심 하드웨어 개발에 성공했다는데 큰 의의가 있다. 특히 기존 기술(일본 AIST)인 비교 소자 대비 23.6% 높은 향상된 결과를 나타내, 국제표준 규정 시 채택될 가능성이 더 높다.

이번 연구는 발전용 일반 상용 열전소자의 객관성 성능을 분석할 수 있는 길을 개척했다는 의의가 있다. 분석 결과의 신뢰성이 부족했던 기존의 현실에서, 전 세계가 성능분석 이전에 각자의 장비 교정을 통해 동일한 상태에서 측정하여 객관성을 명확히 확보할 수 있게 된 것이다. 이에 따라 전반적인 열전발전 기술의 성장이 가속화될 가능성이 높게 점쳐지고 있다.

더불어, 성능 측정의 국제표준화 작업 시 핵심 하드웨어인 《SRTEM 기술》을 보유하고 있는 한국은 열전발전소자 측정의 국제표준화 시 중요한 비중을 확보하고 참여가 가능해졌다. 열전 발전 기술개발 분야에 국가적인 위상을 확보한 것이다.

연구를 주도한 박상현 박사는 “향후 《표준 교정 열전소자》의 국제표준화 작업이 진행될 때 우리나라가 우위를 가질 수 있는 중요한 기술적 근거가 마련된 것”이라며 “올해는 독일, 일본의 주요 연구진과 교차 성능 평가를 통해 연구 범위를 확장하고 완성도를 높일 계획”이라고 밝혔다.

한편, 산업통상부의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제 저명학술지인 『에이씨에스 어플라이드 머티리얼 앤 인터페이스(ACS Applied Material & interface, IF 8.2)』 9월 표지논문으로 선정됐다.