일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
열의 온도 차이를 이용한 열전변환 기술
산업기술종합연구소 선두

-- 자원 절약 및 IoT전원으로 기대 --
최근 열을 전기로 바꾸는 ‘열전변환’ 기술이 주목 받고 있다. 산업기술종합연구소는 사람의 체온 및 발전소에서 배출되는 열 등을 통해 직접 발전하는데 필요한 저렴하고 효율적인 재료와 구조 등의 연구를 선도하고 있다. 실용 단계 장치에서 높은 변환 효율을 기록. 자원의 절약과 온난가스 절감, IoT의 전원 등으로 기대되고 있다. 2030년경에는 열이 있으면 어디서든 전기를 얻을 수 있게 될지도 모른다.

-- 온기로 충전 --
“여기를 만지면 센서와 통신기가 가동됩니다”. 산업기술종합연구소의 시작 장치에 손을 댄 후 조금 지나자 실내의 온도와 습도가 태블릿에 표시되었다. 체온과 실내 온도의 차이로 발전이 이루어진 것이다. 손의 온기로 스마트폰 등 전자기기를 충전하는 미래가 가까워지고 있다.

금속과 반도체 등 물질의 양단을 고온과 저온으로 만들어 온도 차이를 나게 하면 재료 내부에 있는 전자와 플러스 전하가 움직여 전기가 발생된다. 이 현상은 1821년에 제벡(Seebeck)이라는 연구자가 발견했다. 모터 등 움직이는 부품 없이 열만 있으면 반영구적으로 전기가 만들어지는 것이다. 큰 온도 차이가 있으면 보다 많은 전기를 생산할 수 있다.

산업기술종합연구소는 2000년대에 미국에서 연구되고 있던 미세 가공 등의 나노기술을 도입해 열전변환에 이용되는 고효율 재료 개발을 추진하고 있다. 이상적인 재료는 전류는 쉽게 통하지만 열은 잘 전달되지 않아 온도 차이를 유지할 수 있는 재료이다.

산업기술종합연구소는 지금까지 높은 효율성을 가지고 있는 것으로 알려진 아연과 희귀금속 텔루륨 등으로 이루어진 재료에 미세한 구멍을 만들었다. 이를 통해 전자의 이동이 쉽고 열은 전달되기 어렵기 때문이다. 시작품에서는 고온 쪽을 섭씨 600도, 저온 쪽을 섭씨 10도로 설정한 실험에서 최대 12%의 변환 효율을 기록했다.

기존에는 이러한 조건에서의 변환 효율은 약 7%였다고 한다. 이용된 재료는 열전도율이 높다는 문제점이 있어 온도 차이가 유지되지 않아 효율성을 높이는 것이 어려웠다. 산업기술종합연구소의 오타(太田) 주임연구원은 “변환 효율은 높은 수준이지만 실용화를 위해서는 재료의 내구성과 주변 부품 등도 좀더 고려해야 할 필요가 있다”라고 말한다.

-- 배출 열의 효율적 이용 --
열전변환은 산업과 운수 등에서 배출되는 열의 효율적 이용으로도 주목 받고 있다. 자동차 머플러에 열전변환 장치를 설치하면 연비 향상으로 이어진다. 공장에서 배출되는 열을 효율적으로 이용해 소비 전력을 보충하는 것도 가능하다.

지열 및 표층과 심층의 해수 온도 차이를 이용하는 해양 온도차 발전(發電)에서는 일반적으로 열로 물과 끓는 점이 낮은 물질을 기체로 만들어 터빈을 가동하고 있다. 변환하는 과정이 많으면 그 만큼 에너지가 소비되기 때문에 변환 효율은 높지 않다. 열전변환을 통해 직접 전기를 만들어낸다면 효율성은 보다 향상될 것이다.

열전변환은 IoT시대의 전원으로도 기대되고 있다. 항상 열이 발생되는 인체와 기계 등의 표면에서 발전이 이루어진다면 유지보수가 필요 없는 전원이 된다. 다양한 장소에 센서를 설치해 정보를 수집하는 미래 사회에서는 반드시 필요하다.

산업기술종합연구소는 환경 부담이 적은 구리와 유황 등을 이용한 재료 개발에도 도전하고 있다. 지금까지는 재료에 독성이 있거나 희귀금속을 사용하는 것이 주류였다. 이 때문에 우주 등 한정된 분야에서만 열전변환을 이용할 수 밖에 없었다.

대부분의 국내 소비전력은 수입된 석유와 석탄, 천연가스를 통해 만들어진다. 화력발전소에서는 자원을 태워 물을 끓이고 그 증기로 터빈을 가동시켜 발전한다. 그 과정에서 약 60%의 에너지가 이용되지 않고 열로 손실된다. 이 열로 발전할 수 있다면 보다 적은 자원을 소비할 수 있게 될 것이다.

정부는 2030년까지 재생가능에너지 비율을 약 20%로 끌어올릴 계획을 가지고 있다. 화력발전은 그 중 약 60%를 차지하고 있다. 열의 효율적 활용은 자원이 부족한 일본의 중요한 과제일 것이다.

열전변환을 자동차에 응용하는 연구 추진
미국 GM과 포드모터

미국에서는 십 수년 전부터 자동차로의 응용을 위한 열전변환 연구가 추진되고 있다. 미국 GM과 포드모터 등 자동차대기업들은 재료 개발뿐만 아니라 열이 배출되는 자동차 머플러에 열전변환 장치를 설치한 차량의 주행 실험까지 시행하고 있다.

유럽에서는 정부 주도의 장기 계획으로 연구 개발이 추진되고 있다. 유럽은 특히 배출 가스 규제가 엄격하기 때문에 자동차로의 응용을 큰 목표로 내걸고 있다.

배출열로 전기를 만들어 차량용 전장부품에 사용한다면 약 5%의 연비 개선을 기대할 수 있을 것이라고 한다. 하지만 현재는 장치 제조 비용이 연비 개선에 상응하지 않는다는 점과 머플러의 진동에 대한 내구성 확보가 과제로 대두되고 있다.

최근의 효율 향상은 2000년대부터 미국이 주도한 나노기술의 기초 연구가 결실을 맺은 결과이기도 하다. 앞으로 더욱 성능을 높이기 위해서는 재료 개발뿐만 아니라 열을 모으거나 유지 하는 기술 등과의 융합이 필요하다.

▶ 열전 변환 기술의 역사

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