“日보다 성능 20%↑” 에너지硏, ‘교정 열전소자’ 국산화 성공

[헤럴드경제=구본혁 기자] 열전소자의 성능을 객관적으로 측정하기 위한 ‘표준 교정 열전소자(SRTEM)’가 국산화에 성공했다.

한국에너지기술연구원 박상현 박사 연구팀은 일본에 이어 세계 두 번째로 표준 교정 열전소자를 개발하고 기존 소자 대비 성능을 20% 이상 높여 국산 기술의 우수성을 증명했다.

열전소자는 한쪽 면은 차가워지고, 반대쪽 면은 뜨거워지면서 온도의 차이로 인한 전자의 흐름을 만들고 전기를 생산하는 장치다. 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.

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. 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.

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 연구성과는 국제학술지 ‘에이씨에스 어플라이드 매테리얼 앤 인터페이스’ 9월 표지논문으로 선정됐다.