'산소 구멍' 늘려 친환경 발전 효율 91% 향상

포스텍 진현규 교수팀, 산소 빈자리 조절로 폐열·엔진열 전기로 바꿔

[포항=뉴시스] 송종욱 기자 = 포스텍 기계공학과 진현규 교수, 김민영 박사 연구팀이 신소재공학과 이동화·최시영 교수, 미국 오하이오 주립대 조셉 헤레만스 교수와 함께 '산소의 빈자리'라는 미세한 결함을 조절해 버려지는 열로 전기를 만드는 기술 성능을 획기적으로 높였다. 사진은 포스텍 기계공학과 진현규(왼쪽) 교수와 김민영 박사. (사진=포스텍 제공) 2025.08.25. [email protected]

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍(포항공과대학교) 기계공학과 진현규 교수, 김민영 박사 연구팀이 신소재공학과 이동화·최시영 교수, 미국 오하이오 주립대 조셉 헤레만스 교수와 함께 '산소의 빈자리'란 미세한 결함을 조절해 버려지는 열로 전기를 만드는 기술 성능을 획기적으로 높였다.

연구는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스' 표지 논문으로 게재됐다.

[포항=뉴시스] 송종욱 기자 = 포스텍 기계공학과 진현규 교수, 김민영 박사 연구팀이 신소재공학과 이동화·최시영 교수, 미국 오하이오 주립대 조셉 헤레만스 교수와 함께 '산소의 빈자리'라는 미세한 결함을 조절해 버려지는 열로 전기를 만드는 기술 성능을 획기적으로 높였다. 사진은 진 교수 연구팀의 연구가 우수성을 인정 받아 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스' 표지 논문으로 실린 모습. (사진=포스텍 제공) 2025.08.25. [email protected]

매일 우리 주변에는 공장 굴뚝에서 뿜어져 나오는 증기, 자동차를 운전할 때 엔진에서 나오는 열, 심지어 스마트폰·컴퓨터를 이용할 때도 발생한 열이 공기 중으로 사라진다.

이 열을 다시 전기로 바꿀 수 있다면, 에너지 낭비와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있다.

이런 상황에서 과학자들이 주목하는 기술이 바로 온도 차이를 이용해 열을 전기로 바꾸는 '열전 기술'이다.
 
특히 '횡방향 열전 기술'은 열이 흐르는 방향과 수직으로 전류를 만드는데, 이 방식은 구조가 단순하고 효율이 높아 미래 친환경 에너지 기술로 주목 받고 있다. 하지만 주로 소재 자체의 특성에만 의존해 실제 산업에서 쓸 수 있는 재료의 종류가 제한적이라는 한계가 있다.

연구팀이 주목한 것은 바로 '산소의 빈자리'였다.
 
빈자리란 원래 있어야 할 산소 원자가 빠져서 생긴 아주 작은 공간으로, 언뜻 보기에는 재료의 결함처럼 보이지만, 연구팀은 이 빈자리의 개수를 정밀하게 조절하면 오히려 성능을 크게 높일 수 있다는 것을 발견한 것.

실제 산소 빈자리 양을 다르게 조절해 3가지 종류의 시료를 만들어 실험을 한 결과, 산소 빈자리가 가장 많은 시료에서 열전 성능이 무려 91%나 향상되는 놀라운 결과를 얻었다.

[포항=뉴시스] 송종욱 기자 = 포스텍 기계공학과 진현규 교수, 김민영 박사 연구팀이 신소재공학과 이동화·최시영 교수, 미국 오하이오 주립대 조셉 헤레만스 교수와 함께 '산소의 빈자리'라는 미세한 결함을 조절해 버려지는 열로 전기를 만드는 기술 성능을 획기적으로 높였다. 사진은 산소 결함을 도입한 시료(Sr3YCo4O11-δ) 다결정에서 횡방향 온도차로 수직 전류가 발생하는 과정을 나타낸 모식도. (사진=포스텍 제공) 2025.08.25. [email protected]

이 현상이 일어나는 이유는 2가지로 설명된다.

먼저, 산소 빈자리가 많아지면 재료 안에서 전하(전기를 띠는 작은 입자)가 온도 차가 있는 방향으로 더 활발히 움직일 수 있다.

이에 따라 전기를 만들 때 중요한 '엔트로피 기반 이동'이 강화돼 전체적인 효율이 높아진다.
 
또 산소 빈자리가 재료의 결정 구조를 미세하게 비틀면서 곧게 흐르던 전하의 일부가 옆으로 방향을 틀어져 온도 차와 수직인 횡방향 열전 효율을 크게 높인다.

이번 연구의 가장 큰 의미는 복잡하고 비싼 신소재를 개발하지 않고 애초의 재료 내 결함만 조절해 성능을 대폭 높인 것이다.

진현규 포스텍 교수는 "이 전략은 다양한 열전 소재에 폭넓게 적용할 수 있어 더 효율적이고 실용적인 에너지 회수 기술 개발에 크게 이바지할 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견 연구·나노와 소재 기술 개발·컴퓨팅 활용 고도화, 교육부 기초 과학 연구 역량 강화와 관련해 수행했다.


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