에너지연, 열전소자의 성능 측정을 위한 ‘교정 열전소자’ 국산화 성공

- 성능 측정 장비의 오차 교정을 위한 표준 교정 열전소자 개발

- 국내 최초, 세계 두 번째 사례

- 일본이 보유한 기존 표준 교정 열전소자 대비 23.6% 높은 출력전압 나타내

연구진이 개발한 속이 빈 모래시계 형태의 열전레그. (자료제공: 에너지연)

열전소자 발전성능 분석장비 구조(왼쪽)와 표준 열전소자의 개념도(오른쪽). (자료제공: 에너지연)

열전소자의 성능을 객관적으로 측정하기 위한 ‘표준 교정 열전소자(Standard Reference Thermoelectric Module)’가 국내에서 최초로 개발됐다. 

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 ‘에너지연’)은 박상현 박사 연구진이 일본에 이어 세계 두 번째로 표준 교정 열전소자를 개발하고 기존 소자 대비 성능을 20% 이상 높여 국산 기술의 우수성을 증명했다고 12월 18일 밝혔다.

열전소자는 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. 

하지만 열전소자의 성능을 객관적이고 정확하게 측정할 수 있는 기술이 부족해 기술 성장이 더뎠다. 특히 측정 장비의 오차 교정을 위한 표준 교정 열전소자는 일본에서 개발한 것이 유일했다. 이마저도 출력전압, 전력 등 성능이 일반적인 발전용 열전소자 대비 10% 수준에 불과해 정확한 교정이 어려웠다.

이에 에너지연 연구진은 기존 표준 교정 열전소자의 단점을 개선하고 교정에 더욱 적합한 열전소자를 개발했다. 연구진이 개발한 표준 교정 열전소자는 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.

연구진은 금속 소재의 성능 향상을 위해 ‘속이 빈 모래시계’ 형태(Hollow hourglass)의 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.

또한, 최적의 금속 소재 조합을 연구해 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.

연구를 주도한 박상현 박사는 “향후 표준 교정 열전소자의 국제표준화 작업이 진행될 때 우리나라가 우위를 가질 수 있는 중요한 기술적 근거가 마련된 것”이라며 “2026년에는 독일, 일본의 주요 연구진과 교차 성능 평가를 통해 연구 범위를 확장하고 완성도를 높일 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제 저명학술지인 ‘에이씨에스 어플라이드 매테리얼 앤 인터페이스(ACS Applied Material & interface)’지 9월 표지논문으로 선정됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]