77년만에 3D 열전소재 설계 이론 제시…3D프린팅으로 효율 466%↑

지난 77년간 공백으로 남아 있던 3D 열전 소재 설계 이론이 처음 제시됐다. 지난 1948년 1차원 열전효과 이론이 제시된 뒤 POSTECH 손재성 교수 연구팀이 2010년부터 3D 구조를 제창하며, 이끌어온지 15년 만에 과학적 설계 이론을 정립했다.

POSTECH(포항공과대학교)은 8일 화학공학과 손재성 교수·양성은 박사 연구팀이 한국전기연구원 류병기 박사와 함께 3차원(3D) 구조와 열 경계조건을 동시에 고려한 ‘열전 소자 설계 원리’를 세계 최초로 제안하고, 이를 소자에 적용해 성능을 검증했다.

연구결과는 영국 왕립화학회(RSC)가 발행하는 국제 학술지 ‘에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)’에 게재됐다.

3차원 열전 소재 이론 모델 및 설계 원리가 제시됐다. 그림은 이를 활용한 최적 형상 설계 및 성능 향상 모식도.(그림=POSTECH)

손재성 교수는 전화통화에서 "지난 2010년 우리 그룹에서 처음 3차원 열전효과를 3D 프린팅으로 구현하는 등 세계 연구계를 이끌어 왔다"며 "이번에 3D설계 이론을 과학적으로 제시한 것"이라고 설명했다.

손 교수는 상용화 관련 "열전효과 3차원 구조는 일반 제조공정으로는 만들 수 없고, 3D프린팅으로 구현 가능하다"며 "양산성 확보를 위해 대면적화, 고속화, 구조 단순화 등에 관한 공정 연구를 진행중"이라고 부연 설명했다.

열전 효과란 '열'을 '전기'로, '전기'를 다시 '열'로 바꾸는 현상이다. 온도차(제벡효과)와 전류의 열 흡수와 방출(펠리에 효과), 도체내부 열흡수 및 방출(톰슨효과) 효과를 의미한다.

자동차 폐열 회수, 우주 탐사선 전력 공급 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나, 차세대 재생에너지 기술로 떠오르고 있지만 기존 이론은 70여 년 전 제시된 1차원 구조에 머물러 있다. 3차원에 대한 이론적 규명은 아직 없었다.

연구팀은 우선 열전 소자가 놓일 수 있는 8가지 실제 환경을 이론적으로 정리했다. 예를 들어 ‘온도를 고정한 경우’, ‘열의 흐름만 고정한 경우’, ‘공기, 물 같은 매체와 접촉하는 경우’ 등이다.

연구팀은 또 'G 인자(Geometric factor)'라는 새로운 설계 지표를 도입했다. 단순히 소자 모양을 보는 것이 아니라 모양이 달라질 때 내부 전기저항과 열전도율이 어떻게 바뀌는지를 파악할 수 있다.

마치 건축에서 구조 설계도를 미리 검토하듯, 목표에 따라 ‘최대 출력’이나 ‘최대 효율’을 내는 최적의 모양을 이론적으로 찾아낼 수 있다.

이를 바탕으로 연구팀은 대표적인 열전 반도체 소재(Bi,Sb)₂Te₃)를 이용해 다양한 단면 소자를 제작했다. 그 결과, 기존의 단순한 원통형 구조와 비교했을 때 출력은 최대 422%, 효율은 최대 466% 향상됐다. 또 사용되는 재료는 오히려 67%까지 절감하는 성과를 거뒀다.

손재성 교수는 "이론으로 계산한 값과 실제 실험 결과가 거의 정확히 일치했다"며 "이는 연구팀이 개발한 설계 원리가 현실적인 조건에서도 신뢰할 수 있다는 것을 증명한다"고 말했다.