벌집 구조의 구리-셀레나이드 열전발전 부품/UNIST 제공
울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 손재성·채한기 교수팀과 애리조나주립대 권범진 교수 등 공동연구팀이 열전소재인 구리-셀레나이드를 3D프린팅을 이용해 벌집 형태로 제작해, 고온과 팽창·수축, 진동에 강하며 전기 변환 효율도 높아진 열전발전기를 개발했다.
열전발전은 온도차를 전기로 바꾸는 것으로 공장이나 항공기·자동차에서 나오는 폐가스의 열을 전기로 바꿀 수 있어 에너지 재활용 기술로 주목받고 있다.
열전소재 양 끝단에 온도차가 생기면 소재 내부에 전류가 흐르는 힘이 생기는 원리다.
하지만 열전발전기 내 열전소재는 다른 소재군과 비교해 충격 등을 견디는 기계적 내구성이 약하다.
작동 과정 중에 반복적으로 열팽창과 수축, 기계 진동에 노출돼 미세균열과 같은 구조적 손상을 입기 쉽기 때문이다.
연구팀은 고온에서 열전성능은 뛰어나지만 열팽창에 의해 내구성이 쉽게 약화되는 문제를 안고 있던 구리-셀레나이드 소재를 세포형 구조로 제작해 기계적 강도를 크게 높였다.
3D 프린팅을 응용해 육각기둥 형으로 만든 벌집형태의 세포형 구조는 외력을 효과적으로 분산시켜 강도가 높아지고 열전소재 원료도 더 적게 들어가 경량화가 가능하다.
연구팀은 3D 프린팅용 잉크를 셀레늄을 사용해 결합제의 문제점도 해결했다.
열전소재를 점도가 높은 잉크형태로 만들려면 결합제가 필요하다.
하지만 일반적인 유기물 결합제는 열처리 공정으로 완벽히 제거되지 않는다.
제거되지 못한 결합제는 전기전도도를 떨어뜨려 열전소재의 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.
열전소재 잉크와 3D 프린팅을 이용해 열전발전 부품을 만드는 기술 모식도/UNIST 제공
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 개발된 제품에 대한 성능 시험도 마쳤다.
시험 결과 벌집구조는 직육면체 평판 형태 발전기보다 온도차를 전기로 변환하는 성능이 26% 이상 상승했다.
벌집 구조가 열전소재에 붙은 전극의 열 확산을 억제해 온도차가 확대돼 열전발전 효율이 높아졌기 때문이다.
600도 이상의 고온과 팽창·수축, 진동에도 잘 견디는 것으로 나왔다.
이번 기술은 소재의 전기전도도와 같은 물성저하를 방지할 수 있어 다양한 반도체 소재를 3D 프린팅 하는 데 접목시킬 수 있는 원천기술로 응용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
여기에 3D 프린팅 기술로 버려지는 원료 손실을 최소화해 경량화와 내구성이 동시에 필요한 우주·항공 기술 등에 활용 가능할 것으로 보인다.
이번 연구결과는 세계적 과학저널 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판에 지난 10일 발표됐다.
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