전세계적 에너지 위기와 여름철 전력수급에 대한 위기감이 높아지면서 버려지는 폐열(廢熱)을 재활용하기 위한 연구가 새롭게 주목받고 있는 가운데, 산업장 소각로 및 자동차 배기가스 등으로 전기 생산이 가능한 세계 최고 수준 열전발전 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 향후에는 각 가정에서 버려지는 욕실물이나 건물외벽의 복사열을 이용한 전기 생산도 가능할 것으로 예상된다.

전기전문 정부 출연연구기관인 한국전기연구원(KERI·원장 김호용 www.keri.re.kr) 창의연구센터 박수동 박사팀은 최근 지식경제부 “에너지자원기술개발 사업”의 일환으로 세계 최고 수준의 중저온용 열전발전 모듈 및 시스템 개발에 성공했다고 밝혔다. 산업화의 분기점인 10%이상의 변환효율을 갖는 친환경 고성능 열전발전용 모듈 개발 성과로서 열전발전기술의 본격적 산업화를 가능하게 하는 획기적 기술로 평가된다.

열전발전은 서로 다른 두 종류의 금속 또는 반도체에 온도차가 생기면 전압이 발생되는 ‘제벡효과’를 이용하여 열에서 전기를 생산하는 방식이다. 다른 화석연료를 쓰지 않고도 폐열을 전기 에너지로 직접 회수할 수 있다. 특히 공장 및 자동차 폐열, 생활폐수 등 활용할 수 있는 열원이 다양하고 고체 전자회로를 통해 직접 발전이 가능하기 때문에 복잡한 장치가 필요없어 기존 발전방식에 비해 구조가 간단하다. 또한 전기를 만들 때 이산화탄소 배출이 전혀 없고, 소음과 진동이 거의 없다는 장점도 갖고 있어 기존 방식을 대체하는 그린에너지 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 이번에 ▷신재료의 개발 ▷재료설계 ▷소자 설계 ▷접합 및 소자 배열 ▷시스템구축에 이르기까지 구조화된 융합 연구 및 개발(Atom to System)을 통해 열전발전의 실용화를 위한 총체적 기술 개발에 성공했다.

연구팀은 우선 차세대 열전발전 물질인 마그네슘 실리콘 물질과 아연계 화합물질의 개발 및 소자화(전기를 만드는 최소단위 복합체 구성)에 성공했다. 이를 통해 기술의 상용화·산업화를 위해 넘어야 할 수준인 10% 이상의 에너지변환효율을 넘어 최대 12.1%의 변환효율을 나타내는 광대역 열전발전용 모듈을 개발했다. 이는 일본에서 공식 기록한 12%대의 변환효율에 이어 동일 온도대에서 세계에서 2번째로 높은 수준이다. 전세계적으로 산업용 폐열을 활용한 열전발전 분야 산업화·상용화에서 가장 앞서 있는 일본을 따라잡을 수 있는 기술을 일거에 확보한 쾌거인 셈이다.

연구팀은 또한 자체 개발한 반도체 열전소재를 통해 저온과 중온의 범위에서 열전변환 효율이 높은 재료를 적층형 복합 모듈(저온 및 중온용 소자 이중 배치) 개념으로 시스템을 구현함으로써 세계적 기술개발 능력을 보유했음을 입증했다.

지금까지 열전발전의 이용에 대한 흥미로운 결과들이 일부 선행 연구자들에 의해 알려졌으나 학문적 이론 연구 위주로 실제 전력을 생산하는 소자화 기술에 대한 산업계의 큰 수요에 대응하지 못했다. 특히 기존에 개발된 열전소자용 재료는 변환효율이 10% 미만에 불과해 열전발전보급 활성화와 상업화를 위한 변곡점인 10% 효율을 달성하지 못했다. 또한 일부 발전소자의 개발이 진행돼 온 저온과 고온에 비해 폐열원의 에너지 총량은 많지만 지금까지는 거의 이용되지 않아온 영역인 중온용 모듈제작에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 국내에서도 일부 연구기관과 대학에서 열전재료에 관한 연구가 수행되고 있으나 주로 재료특성에 관한 기초연구와 부분연구에 치중되고 있어 산업계가 원하는 소자 제작 기술이 부족한 형편이었다.

KERI 연구팀이 이번에 창출한 중저온용 열전발전 기술은 순수하게 자체 개발한 소재와 모듈화 기술을 통해 역사가 짧은 열전발전기술 분야에서 세계최고 수준의 기술 경쟁력을 확보하고 독립적 기술기반을 구축했다는 측면에서 매우 의미 있는 결과다. 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지는 24시간 전기를 얻을 수 없어 생산량을 늘려도 필요한 시간에 전기를 공급하기 까다로웠으나 열전발전은 ‘열원’만 있으면 24시간 에너지 공급이 가능해 대체 에너지 중 하나로도 큰 가치가 있다. 이번에 개발된 기술을 활용하면 온도차 400˚C 일 때, 단위면적당 출력 1.5kW/㎡로 열전발전 분야에서 가장 경쟁력이 있는 온도대인 400˚C에서 세계최고 성능이다.

박수동 박사는 “현재 우리 일상에서 소비되는 에너지의 1/3 이상은 유효하게 이용되지 못하고 폐열로 버려지고 있으며, 열전발전 기술은 개별적으로 배출되는 폐열을 전기에너지로 변환할 수 있는 가장 유력한 기술로 주목받고 있다.”고 설명하고 “이번에 성공적으로 개발된 중온 열전모듈 제작기술은 소각로 및 자동차 폐열 등의 재활용이 가능하게 해주는 글로벌 수준의 친환경 기술로서 빠른 시일 안에 국내 관련 기업에 기술 이전할 예정이며, 국내외 산업계의 열전발전 시스템의 대형화 및 상용화에 중요 핵심기술로 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

박수동 박사팀은 이번 성과와 관련해 세계 최고 성능의 4개 물질군(Mg2Si계, Zn4Sb3계, AgSbTe2, Bi2Te3계)을 개발했다. 13건의 국내외 특허를 출원하여 이미 5건의 국내 물질특허를 획득했으며, 현재 국외 출원중이다. 현재 관련 기술을 대기업 및 일부 중소기업과 기술이전을 협의 중이며, 개발된 발전소자의 장기 신뢰성 평가 및 기업 맞춤형 소자화 기술개발을 추진 예정이다.