'열을 전기로' 효율 4배↑…포스텍, 70년 숙제 풀었다

3D 구조와 열 환경을 함께 고려한 세계 최초 '열전 설계 원리' 제시

[포항=뉴시스] 송종욱 기자 = 포스텍은 화학공학과 손재성 교수·양성은 박사 연구팀이 한국전기연구원 류병기 박사와 함께 3차원(3D) 구조와 열 경계 조건을 동시에 고려한 '열전 소자 설계 원리'를 세계 최초로 제안하고, 실제 제작된 소자에 적용해 성능을 검증했다고 8일 밝혔다. 사진은 포스텍 화학공학과 손 교수(왼쪽)와 양 박사. (사진=포스텍 제공) 2025.09.08. [email protected]

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 공장 굴뚝에서 나오는 뜨거운 열기, 자동차 배기구의 열, 심지어 몸에서 나는 열까지 전기로 바꿀 수 있다면 어떨까?
 
최근 국내 연구진이 이런 가능성을 크게 앞당길 새로운 설계 원리를 제시했다.

포스텍(포항공과대학교)은 화학공학과 손재성 교수·양성은 박사 연구팀이 한국전기연구원 류병기 박사와 함께 3차원(3D) 구조와 열 경계 조건을 동시에 고려한 '열전 소자 설계 원리'를 세계 최초로 제안하고, 실제 제작된 소자에 적용해 성능을 검증했다고 8일 밝혔다.
 
이번 연구는 영국 왕립화학회(RSC)가 발행하는 국제 학술지 'Energy & Environmental Science'에 게재됐다.

열전 효과란 간단히 말해 '열'을 '전기'로, '전기'를 다시 '열'로 바꾸는 현상이다.
 
이미 자동차 폐열 회수, 우주 탐사선 전력 공급 등 다양한 분야에서 활용되며, 차세대 재생에너지 기술로 떠오르고 있다.
 
하지만 애초 이론은 70여 년 전 제시된 1차원 구조에 머물러 훨씬 복잡하고, 다양한 3D 구조와 환경에서 작동하는 실제 소자를 설명하거나 최적화 하는데 한계가 있었다.

연구팀은 70년간 풀리지 않던 이 숙제를 풀기 위해 열전 소자가 놓일 수 있는 여덟 가지 실제 환경을 이론적으로 정리했다.
 
예를 들어 '온도를 고정한 경우', '열의 흐름만 고정한 경우', '공기·물 같은 매체와 접촉하는 경우' 등이다.

또 연구팀은 'G 인자(Geometric factor)'라는 새로운 설계 지표를 도입했다.
 

[포항=뉴시스] 송종욱 기자 = 포스텍은 화학공학과 손재성 교수·양성은 박사 연구팀이 한국전기연구원 류병기 박사와 함께 3차원(3D) 구조와 열 경계 조건을 동시에 고려한 '열전 소자 설계 원리'를 세계 최초로 제안하고, 실제 제작된 소자에 적용해 성능을 검증했다고 8일 밝혔다. 사진은 3차원 열전 소재 이론 모델과 설계 원리를 활용한 최적 형상 설계 및 성능 향상 모식도. (사진=포스텍 제공) 2025.09.08. [email protected]

이는 단순히 소자 모양을 보는 것이 아니라 모양이 달라질 때 내부 전기 저항과 열전도율이 어떻게 바뀌는지 함께 반영한다.
 
이를 바탕으로 연구팀은 (Bi,Sb)₂Te₃라는 대표적인 열전 재료를 이용해 다양한 단면의 소자를 제작했다.

애초의 단순한 원통형 구조와 비교했을 때 출력은 최대 422%, 효율은 최대 466% 향상됐고, 사용되는 재료는 오히려 67%까지 절감하는 성과를 거뒀다.

무엇보다 중요한 것은 이론으로 계산한 값과 실제 실험 결과가 거의 정확히 일치했다는 점이다.
 
손재성 포스텍 교수는 "이번 연구는 지난 70여 년간 공백으로 남아 있던 3D 열전 소재의 설계 이론을 처음으로 제시했다"라며 "자동차 배기 가스나 산업 현장의 폐열 회수, 웨어러블 기기용 전력원 설계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 중견 연구자 지원과 나노·소재 기술 개발의 지원을 받아 수행했다.


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