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DGIST 이호춘 교수 연구팀, 버려지는 열을 전력으로 변환한 효율 높은 하이브리드 열전지 개발
2021년 10월 14일 (목) 09:06:31 DGN webmaster@dgn.or.kr
- DGIST 이호춘 교수 연구팀, 전기화학 열전지에 농도차 전지를 결합하여 효율적 폐열-전력 변환 구현
- IoT 소자/센서 등의 동력원으로서 활용 기대돼

□ DGIST(총장 국양) 에너지공학전공 이호춘 교수 연구팀이 폐열(에너지의 생산 혹은 소비 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 열)로부터 전기를 생산하는 효율이 대폭 개선된 전기화학 열전지를 개발했다. 이번 연구로 개발된 열전지는 IoT 소자/센서 등의 동력원으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 산업 공정, 지열, 및 인체에서는 많은 열이 발생하지만, 생산 혹은 소비 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 중저온(<200 ℃) 폐열은 버려지는 것이 당연시 되어왔다. 하지만 최근 기술의 발전으로 이를 전기 에너지로 변환하여 지속가능한 청정 에너지원으로 사용 할 수 있게 됐다.

□ 폐열을 전기 에너지로 변환하기 위해 최근 연구되고 있는 방법은 전기화학 열전지를 이용하는 것이다. 이는 기존 열전소자와 비교하여, 높은 제베크 효과( 어떠한 물체의 양쪽 끝에 온도 차를 주면 기전력이 생기는 현상, 즉 온도 차에 의해 열이 전기로 바뀌어 전압이 발생하는 현상), 낮은 재료 및 공정비용, 및 전지 설계 유연성의 장점을 가진다. 전기화학 열전지는 P형과 N형으로 구분되는데, 열전지가 큰 전력을 공급하기 위해서는 수십~수백개의 열전지소자들을 직·병렬 연결한 모듈을 구성해야 한다. 그러나 P형에 비해 N형 열전지의 성능이 현저히 낮아서, N형 열전지 성능에 의해 전체 모듈의 성능이 제한된다는 문제를 가지고 있다.

□ 이에 연구팀은 N형 열전지의 성능을 높이기 위해 농도차 전지가 결합된 하이브리드 열전지를 고안했다. 농도차 전지가 결합된 하이브리드 열전지는 고온부에서만 요오드 이온이 소모되므로 고온부-저온부의 요오드 이온의 농도차이가 발생하는데, 이 농도차는 형성된 탄산 리튬층에 의해 장시간 유지되면서 추가 기전력을 생산하게 된다.

□ 저온(25℃) 및 고온(60℃)를 기준으로 기존 N형 열전지와 제베크 효과에 따른 전압을 비교해본 결과, 기존 N형 열전지의 제베크 상수가 +2 mV/K 이하인 반면, 본 연구팀에서 하이브리드 열전지는 +7.7 mV/K 의 높은 제베크 상수를 보였다. 또한, 높은 열-전기변환 효율(ZT = 0.0114 및 카르노트 효율 = 5.2%)을 구현하여 사상 최고 효율을 가진 N형 열전지를 개발하게 됐다.

□ DGIST 에너지공학전공 이호춘 교수는 “하이브리드 열전지의 제베크 상수와 열-전기변환 효율은 이제까지 보고된 N형 열전지 중에서 가장 높은 값”이라며, “추가 연구를 통해 현재 다소 부족한 하이브리드 열전지의 내구성을 개선하게 되면, 폐열로부터 생산된 전력을 동력원으로 사용하는 다양한 응용분야에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

□ 한편, 본 연구는 DGIST 에너지공학 전공 이호춘 교수의 연구팀의 김경구·박기성 박사와 강준식 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 에너지 분야 저명 국제 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal ’ 21년 12월호에 게재 예정이다. 또한, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
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