일본서 전량 수입하던 '교정 열전소자’ 국산화…성능도 20% 개선

열전소자 성능 측정 장비 오차를 교정할 수 있는 ‘표준 교정 열전소자(SRTEM)’가 일본에 이어 세계 두 번째로 개발됐다.

한국에너지기술연구원은 박상현 박사 연구팀이 일본에 이어 세계 두 번째로 표준 교정 열전소자를 개발했다고 18일 밝혔다. 이 소자 성능은 기존 대비 20% 이상 향상됐다.

SRTEM은 열전소자 성능 측정 장비의 오차를 교정하는 기준이 되는 소자를 말한다.

표준 교정용 열전소자를 개발한 한국에너지기술연구원 연구진. 왼쪽부터 김수민 인턴연구원, 구은아 학생연구원, 박상현 박사.(사진=에너지연)

열전소자는 한쪽 면은 차가워지고, 반대쪽 면은 뜨거워지면서 온도차로 인한 전자의 흐름을 만들고 전기를 생산하는 장치다. 반대로 열전소자에 전기를 흘리면 한쪽은 차가워지고 다른 쪽은 뜨거워진다. 이러한 특성으로 인해 캠핑용 소형 냉장고, 컴퓨터 등 전자장비에 주로 활용되고 있다.

그동안 열전소자 성능 측정을 위한 장비는 일본에서 수입해 활용해 왔다. 그러나 이마저도 출력전압, 전력 등 성능이 일반적인 발전용 열전소자 대비 10% 수준에 불과해 정확한 교정에 어려움이 많았다.

이번에 개발한 표준 교정 열전소자는 기존 대비 출력전압 등 핵심 지표 성능이 20% 이상 개선됐다. 300회 이상의 운전에도 출력이 떨어지지 않는다.

연구팀은 이 소자 개발에 반도체 파우더 기반의 소재 대신 금속 소재를 활용했다. 반도체 파우더는 작은 온도 차이로 큰 출력전압을 얻을 수 있어 열전성능이 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.

연구팀은 이 같은 금속 소재의 성능 향상을 위해 ‘속이 빈 모래시계’ 형태의 새로운 열전레그(열전소자의 구성물) 구조를 개발했다. 모래시계의 잘록한 부분과 빈 공간이 열저항을 증가시켜 양면의 온도차를 키우고 출력전압을 높이는 원리다.

개발된 열전레그를 적용한 결과, 기존 직육면체 형태의 열전레그에 비해 출력전압이 약 3배 이상 높게 나타났다.

열전레그는 열전소자를 이루는 작은 기둥 한 개를 의미한다. 열전소자의 뜨거운 면과 차가운 면 사이에서 열-전기변환을 담당한다.

연구팀은 또 크로멜과 콘스탄탄(Chromel–Constantan), 크로멜과 알루멜(Chromel–Alumel)로 이뤄진 2종의 열전레그를 제작했다. 이 중 크로멜-콘스탄탄 열전레그는 일본의 표준 교정 열전소자보다 23.6% 높은 출력전압을 기록했으며, 300회 이상의 운전에도 동일한 출력을 유지했다.