고려대 최원준 교수팀, 저등급 폐열→고효율 전력 변환 해법 개발

고려대학교는 기계공학부 최원준 교수 연구팀이 한양대 원자력공학과 김상태 교수 연구팀과 함께 고체에서 액체로 또는 그 반대로 상(狀)이 바뀌는 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 활용해 열전갈바닉(thermogalvanic) 소자의 성능을 대폭 향상할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

이 기술은 버려지는 저등급 폐열을 고효율 전력으로 변환하는 솔루션을 제공한다. 앞으로 에너지 산업에 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

전 세계적으로 에너지 효율성이 중요한 이슈로 떠오르는 가운데, 저등급 폐열(상대적으로 중저온 영역에서 온도 차이를 가지는 열원)은 활용되지 못하고 버려지는 에너지원 중 하나다. 기존 폐열 회수 기술은 폐열 발생 환경에서 온도 차이를 계속 유지하는 데 한계가 있어 지속적인 에너지 생성이 어렵다. 대안으로 제시되는 기존의 열전갈바닉 소자는 단일 상(고체) 전극을 사용하는 메커니즘으로, 성능에 제한이 있어 저등급 폐열을 효율적으로 회수하는 데 한계가 있었다.

공동 연구팀이 개발한 상전이 기반 열전갈바닉 소자는 나트륨-칼륨(Na-K) 합금 전극을 사용해 상전이 과정에서 열전력을 극대화했다. 연구팀은 이 합금 전극이 상전이 온도 구간을 지날 때, 즉 고체에서 액체로 또는 그 반대로 상이 변환될 때 발생하는 엔트로피 변화가 열전력에 큰 영향을 미친다는 점을 발견했다. 특히 상전이 과정에서 열전력이 최대 26.1㎷/K까지 증가하는 것을 확인했다. 이는 기존 열전갈바닉 소자에서 구현된 열전력보다 10배 이상 높은 수치다.

이번 연구의 핵심은 상전이 과정에서 발생하는 열역학적 엔트로피 변화를 활용해 열전력을 크게 증가시킬 수 있는 새로운 전극 설계와 전해질 조합을 개발한 것이다. 이를 통해 기존 기술에서 구현할 수 없었던 고효율의 열전갈바닉 소자를 구현할 수 있었다. 이는 저등급 폐열을 고효율 전력으로 변환하는 데 큰 역할을 하며 동시에 배터리를 포함한 다양한 전기화학 소재-소자-부품 연구에 이바지할 수 있다.

최 교수는 "이번 연구는 저등급 폐열-발열을 활용 가능한 에너지원으로 전환하는 새로운 솔루션을 제시한 것"이라며 "이 기술은 다양한 열원에서 에너지를 회수해 전기에너지로 변환하는 데 있어 중요한 역할을 할 것"이라고 말했다. 이어 "반도체, 전자기기, 전기자동차, 산업 설비에 이르기까지 다양한 곳에서 발생하는 폐열과 발열을 에너지로 회수하는 효율성 극대화 기술의 초석이 될 수 있다"고 강조했다.

이번 연구 논문(Boosted Thermogalvanic Thermopower upon Solid-to-Liquid Phase Transition)은 해당 분야 세계 최고 학술지 'Energy & Environmental Science'에 지난달 15일 자로 온라인 게재됐다. 최원준·김상태 교수가 교신저자, 고려대 신동준 박사, 한양대 류기훈 연구원이 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 한국연구재단 선도연구센터, 중견연구사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.