[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 열전소자의 성능을 객관적으로 측정할 수 있는 '표준 교정 열전소자(SRTEM)'가 국내 최초로 개발됐다. 일본에 이어 두 번째 기술개발이지만 기존 일본산 기계의 성능을 훌쩍 뛰어넘는다.

한국에너지기술연구원은 박상현 박사팀이 기존 소자 대비 성능을 20% 이상 높인 표준 교정 열전소자를 국내 처음으로 개발했다고 18일 밝혔다.

SRTEM은 열전소자를 다양한 출력 측정장비로 측정하기 전에 각 측정장비의 상태를 객관적으로 확인하고 오차를 교정하는 기준이 된다.

열전소자는 한쪽 면은 차가워지고 반대쪽 면은 뜨거워지면서 온도의 차이로 전자의 흐름을 만들고 전기를 생산하는 장치다.

이런 특성으로 캠핑용 소형 냉장고, 컴퓨터 등 전자장비에 주로 활용되고 있으며 친환경적이고 소형화에도 유리해 크게 주목받고 있다. 무탄소 발전과 우주산업에도 활용될 수 있다.

하지만 열전소자의 성능을 객관적이고 정확하게 측정할 수 있는 기술이 부족해 기술 성장이 더뎠다.
 
특히 측정장비의 오차 교정을 위한 표준 교정 열전소자는 일본에서 개발한 것이 유일했지만 이 기술도 출력전압, 전력 등 성능이 일반적인 발전용 열전소자 대비 10% 수준에 불과해 정확한 교정이 어려웠다.

이번에 박 박사팀은 주로 쓰이는 반도체 파우더 기반의 소재 대신 금속 소재를 활용해 기존 표준 교정 열전소자의 단점을 개선하고 교정에 더욱 적합한 열전소자를 개발하는데 성공했다.

연구진이 개발한 표준 교정 열전소자는 기존 소자에 비해 출력전압 등 핵심 지표의 성능이 20% 이상 높고 300회 이상의 운전에도 출력이 떨어지지 않는다.

반도체 파우더는 작은 온도 차이로 큰 출력전압을 얻을 수 있어 열전성능(Seebeck)이 높지만 파우더로 만드는 과정에서 입자 크기와 성능이 제각각으로 생성돼 표준으로 활용하기에는 적합하지 않다.
 
반면 금속 소재는 성능이 균일하고 안정적이라 표준 소자에 적합하지만 반도체 파우더에 비해 열전성능이 10분의 1 수준으로 낮다는 단점이 있다.

연구진은 금속소재의 성능 향상을 위해 '속이 빈 모래시계' 형태(Hollow hourglass)의 새로운 열전레그(열전소자의 구성물) 구조를 개발했다. 모래시계의 잘록한 부분과 빈 공간이 열저항을 증가시켜 양면의 온도차를 키우고 출력전압을 높이는 원리다.
 
연구진이 개발한 열전레그를 적용한 결과, 기존 직육면체 형태의 열전레그(열전소자의 뜨거운 면과 차가운 면 사이에 존재 하여 열↔전기변환을 담당)에 비해 출력전압이 약 3배 이상 높게 나타났다.

이어 최적의 금속 소재 조합에 대한 연구를 통해 크로멜과 콘스탄탄(Chromel–Constantan), 크로멜과 알루멜(Chromel–Alumel)로 이뤄진 2종의 열전레그를 제작했다.

이 중 크로멜-콘스탄탄 열전레그는 일본의 표준 교정 열전소자보다 23.6% 높은 출력전압을 기록했으며 300회 이상의 운전에도 동일한 출력을 유지했다.

박상현 박사는 "향후 표준 교정 열전소자의 국제표준화 작업이 진행될 때 우리나라가 우위를 가질 수 있는 중요한 기술적 근거가 마련된 것"이라며 "내년에는 독일, 일본의 주요 연구진과 교차 성능 평가를 통해 연구범위를 확장하고 완성도를 높일 계획"이라고 밝혔다.


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