미국 에너지의 50% 이상은 열로 폐기되고 있는 것으로 추산된다. 이러한 폐열(waste heat)은 단순히 공기 중으로 달아난다. MIT 소속의 Gang Chen 등의 연구진이 개발한 열전 장치 덕분에, 변화가 시작될 것으로 기대된다.
열전 재료(thermoelectric materials)는 온도 차이(temperature difference)를 전압(electric voltage)으로 전환시킨다. 약 10년 전, Chen과 MIT 산하 기계공학부 책임자인 Carl Richard Soderberg 교수는 보다 더 비용 효율적인 열전 장치를 고안하기 위하여 열전 재료의 효율성을 비약적으로 촉진하고 재현하기 위하여 나노기술을 사용했다.
이 방법을 이용하여 Chen과 휴스턴 대학 소속의 동료 연구원인 Zhifeng Ren이 공동으로 설립한 회사인 GMZ Energy사는 열전 발전기(TEG; thermoelectric generator)를 생성했다. 이 열전 발전기는 1평방인치, 1/4인치 두께 모듈로 이루어져 있으며, 자동차에서 배출된 폐열을 자동차들이 추가된 동력을 빌려 사용할 수 있는 전기로 전환시킨다.
TEG에서, 열이 모듈 상층으로 유입될 때 전기가 생성되며, 이후 TEG에 구비되어 있는 반도체 재료를 통하여 보다 더 차가운 쪽으로 이동한다. 이러한 온도 차이 하에서 반도체에서 전자의 움직임은 전기로 추출되는 전압을 생성한다.
그러나 많은 TEGs에서 재료 내 원자의 진동(atomic vibration)은 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 열을 누설시킬 수 있다. GMZ사의 방법은 열 누설(heat leakage)을 필수적으로 지연시켜, 많은 열전 재료의 성능을 30~60% 가량 증가시켰다.
또 새로운 TEG는 뜨거운 쪽에서 약 600 ℃(상층)의 온도를 견딜 수 있는 반면, 차가운 쪽(하부 표면)에서 100 ℃를 유지한다. 500 ℃의 온도 구배를 이용하여, 4 제곱센티미터의 이 모듈은 7.2 와트의 동력을 생산할 수 있다. 예를 들면, 자동차 배기관 근처에 설치되어, 이렇게 전환된 전기는 자동차의 교류 발전기(alternator)에 가해지는 부하를 줄이고, 연료비용과 전체 배기가스 배출을 줄이는 등 자동차의 전기적 구성 요소에 동력을 공급할 수 있다.
2014년 6월 GMZ사는 미국 에너지부(DOE; Department of Energy)가 후원하는 150만 달러에 달하는 프로그램의 일환으로 보다 더 큰 TEG로부터 200와트의 동력을 성공적으로 생산했다. 목표는 갤런당 40달러의 비용으로 전장에서 소비되는 연료를 절감하는 데 도움을 주는 1,000와트의 동력을 생산하기 위하여, 미 육군 탱크인 브래들리 전투장갑 차량(Bradley Fighting Vehicle)에 200와트 급 TEG를 통합하는 것이다.
또 GMZ사는 DOE의 900만 달러의 자금을 지원받아 승용차의 연료 경제를 25%까지 개선하는 프로그램을 연구할 예정이다. GMZ사는 조만간 자동차에 자사의 TEGs를 적용할 계획이며, 이러한 시도는 5% 가까운 효율성 개선을 목표로 하고 있다.
열전의 개념은 1921년으로 거슬러간다. 초기 제벡 효과(Seebeck effect)라고 명명됐으며, 전도성 재료의 한쪽 끝을 가열하여 전자가 더 차가운 쪽으로 이동하게 하여 전류를 생성시킨다. 교대로 재료에 전류를 가하여 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 열을 수송한다.
열전 기술은 1950년대 다시 조명되어 실생활 응용에 적용하는 프로젝트가 출범했다. 열전 재료가 비효율적이기 때문에, 이러한 노력은 냉장고와 센서에 적합한 응용으로 이어졌지만, 대규모 응용에서는 구체화되지 않았다. 열전 재료가 전기를 잘 전도하는 한편, 열 역시 잘 전도하여 온도는 신속하게 동일해지고 이러한 현상이 낮은 효율을 초래한다. 이후 1990년대, MIT 소속의 연구진 등이 보다 더 높은 효율성을 갖춘 열전 재료를 재현하기 위하여 나노기술을 이용했다.
2008년에, Chen과 Ren 등의 연구진은 저렴한 공정을 이용하여 열전 냉각기에서 사용되는 재료인 비스무스 안티몬 텔룰르 화합물(bismuth antimony telluride)의 효율을 40% 증가시켰다. 같은해 사이언스에 발표된 논문에서, 연구팀은 재료를 나노분말로 분쇄하여 벌크 형태로 재구성함으로써 재료를 통과하는 양자의 통로를 비약적으로 지연시켰다. 이러한 방식은 열 누설을 억제하는 한편, 전자의 자유로운 흐름을 가능하게 해주었다. 벌크 형태에서 비용 효율적이고 안전한 합금을 이용한다는 것은 재료가 다양한 응용에 적용될 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 발견 이후, Chen과 Ren은 GMZ사를 설립하고 재료의 개발과 상용화에 주력했다. 그러나 열전 시장은 소규모로 거대 구매자를 찾을 수 없었다. 따라서 연구진은 현실에서 재료를 재현할 수 있는 장치를 구현할 필요가 있다고 생각했다. 3년 후, 연구진은 일광으로 가열한 온수 집전기(solar hot-water collector)로부터 전기를 생성하는 장치를 고안했으며, 이러한 장치는 현재 TEG 모듈의 초기 버전이었다.
그러나 도전 과제는 남아 있다. 시장에 유사한 제품이 없었기 때문에, 연구진은 수년 동안 시행착오를 거쳐야 했다. 예를 들면, 열전 재료의 응용에서 수많은 유형의 재료로 사용되고 다양한 열 공급원이 있기 때문에, 재료에 대한 결정은 어려운 일이다. 재료의 효율은 온도에 좌우된다고 Chen은 설명했다. 따라서 당신은 열원의 온도 범위를 확인해야만 하고, 어떤 재료가 온도 범위에 맞는지를 규명할 필요가 있다고 Chen은 밝혔다.
상업적인 TEG 모듈을 위하여, GMZ사는 높은 온도에서 뛰어난 안정성을 갖게 해주는 강력한 결정 구조를 가지는 합금인 반-호이슬러 재료에 주목했다. 그러나 회사는 텔루르화 비스무스(bismuth telluride), 텔루르화 납(lead telluride), 광물성 스쿠테루드광(mineral skutterudite) 및 실리콘 게르마늄(silicon germanium) 등과 같은 다른 재료 등과 관련된 추가적인 계획을 가지고 있다.
그림1> GMZ Energy사의 열전 발전기(TEG; thermoelectric generator) 모듈. 폐기열이 모듈의 상층으로 유입될 때, 반도체 재료(P와 N 으로 보여줌)를 통과하여 보다 더 차가운 쪽으로 이동하여 전기를 추출할 수 있는 전압을 생성하는 온도 차이를 유발한다.
키워드 : 폐열, 열전 재료, 온도 차이, 전압, 열전 발전기, 열 누설
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://phys.org/news/2014-08-thermoelectric-devices-electricity-vehicles-machines.html 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2014.08.26 10:42
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