저등급 폐열 회수의 혁신적 돌파구:
상전이 기반 열전갈바닉 에너지 수확 기술 개발
에너지 회수하여 전기에너지로 변환하는 데 중요한 역할을 할 것
최원준 교수 연구팀 논문 ‘Energy & Environmental Science’ 게재

▲ (왼쪽에서) 신동준 박사(고려대, 제1저자), 류기훈 연구원(한양대, 제1저자), 최원준 교수(고려대, 교신저자), 김상태 교수(한양대, 교신저자)

고려대-한양대 공동연구팀이 새로운 상전이 기반 열전갈바닉(thermogalvanic) 에너지 수확 기술을 개발했다. 이 기술은 향후 에너지 산업에 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

기계공학부 최원준 교수, 한양대 원자력공학과 김상태 교수 연구팀은 고체에서 액체로 또는 그 반대로 상전이하는 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 활용하여 열전갈바닉 소자의 성능을 대폭 향상할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

이번 연구 결과는 해당 분야 세계 최고 학술지인 'Energy & Environmental Science'(IF=32.4, 상위 0.3%)에 2024년 8월 15일 자로 온라인 게재됐으며, 에너지 및 차세대 배터리 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

- 논문명: Boosted Thermogalvanic Thermopower upon Solid-to-Liquid Phase Transition
- 논문URL: Energy & Environmental Science (https://doi.org/10.1039/D4EE01642D)

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. 기존 폐열 회수 기술은 폐열 발생 환경에서 온도 차이를 계속 유지하는 데 한계가 있어 지속적인 에너지 생성이 어려운 반면 대안으로 제시되고 있는 기존의 열전갈바닉 소자는 단일 상(고체) 전극을 사용하는 메커니즘으로 인해 성능 제한이 있어 저등급 폐열을 효율적으로 회수하는 데 한계가 있었다.

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 기계공학부 교수는 "이번 연구의 핵심 의의는 저등급 폐열-발열을 활용 가능한 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 것이다."라고 강조했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업 및 한국연구재단 선도연구센터, 중견연구사업 등의 지원을 통해 이뤄졌다.

<연구 그림 1>

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

<연구 그림 2>

▲ 상전이 기반 고효율 열전지 작동원리
 

<연구 그림 3>

▲ 상전이 기반 고효율 열전지를 통한 에너지 하베스팅