DGIST 이호춘 교수, 폐열을 전력 변환 ‘하이브리드 열전지’ 개발

IoT 소자‧센서 등의 동력원 활용 기대

폐열로부터 전기를 생산하는 효율이 대폭 개선된 전기화학 열전지를 개발한 DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수(우측)와 에너지공학전공 강준식 석·박사통합과정생(좌측). [사진=대구경북과학기술원 제공]

DGIST(총장 국양)는 에너지공학전공 이호춘 교수 연구팀이 폐열로부터 전기를 생산하는 효율이 대폭 개선된 전기화학 열전지를 개발했다고 14일 밝혔다.

본 연구는 DGIST 에너지공학 전공 이호춘 교수 연구팀의 김경구·박기성 박사와 강준식 석박통합과정생이 공동 제1 저자로 참여했으며, 에너지 분야 저명 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’ 21년 12월호에 게재 예정이다.

과학기술정보통신부 한국연구재단 중견 연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되는 이호춘 교수 연구팀의 이번 연구로 개발된 열전지는 IoT 소자‧센서 등의 동력원으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

이는 산업 공정, 지열, 및 인체에서는 많은 열이 발생하지만, 생산 혹은 소비 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 중 저온(<200℃) 폐열은 버려지는 것이 당연시되어왔다.

이에 최근 기술의 발전으로 이를 전기 에너지로 변환하여 지속 가능한 청정 에너지원으로 사용할 수 있게 됐다.

폐열을 전기 에너지로 변환하기 위해 최근 연구되고 있는 방법은 전기화학 열전지를 이용하는 것이다. 이는 기존 열전소자와 비교하여, 높은 제베크 효과, 낮은 재료 및 공정비용, 및 전지 설계 유연성의 장점이 있다.

전기화학 열전지는 P형과 N형으로 구분되는데, 열전지가 큰 전력을 공급하기 위해서는 수십에서 수백 개의 열전지 소자들을 직·병렬 연결한 모듈을 구성해야 한다. 그러나 P형과 비교해 N형 열전지의 성능이 현저히 낮아서, N형 열전지 성능에 의해 전체 모듈의 성능이 제한된다는 문제를 가지고 있다.

이에 연구팀은 N형 열전지의 성능을 높이기 위해 농도차 전지가 결합한 하이브리드 열전지를 고안했다. 농도차 전지가 결합한 하이브리드 열전지는 고온 부에서만 요오드 이온이 소모되므로 고온 부-저온 부의 요오드 이온의 농도 차이가 발생하는데, 이 농도 차는 형성된 탄산 리튬층에 의해 장시간 유지되면서 추가 기전력을 생산하게 된다.

이에 저온(25℃)과 고온(60℃)을 기준으로 기존 N형 열전지와 제베크 효과에 따른 전압을 비교해본 결과, 기존 N형 열전지의 제베크 상수가 +2 mV/K 이하지만, 본 연구팀에서 하이브리드 열전지는 +7.7 mV/K의 높은 제베크 상수를 보였다. 또한, 높은 열-전기 변환 효율(ZT = 0.0114 및 카르노트 효율 = 5.2%)을 구현하여 사상 최고 효율을 가진 N형 열전지를 개발하게 됐다.

DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수는 “하이브리드 열전지의 제베크 상수와 열-전기 변환 효율은 이제까지 보고된 N형 열전지 중에서 가장 큰 값”이라며, “추가 연구를 통해 현재 다소 부족한 하이브리드 열전지의 내구성을 개선하게 되면, 폐열로부터 생산된 전력을 동력원으로 사용하는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.