한양대학교 원자력공학과 김상태 교수와 고려대학교 기계공학부 최원준 교수 공동연구팀이 저등급 폐열을 효과적으로 회수하여 전기로 변환할 수 있는 새로운 상전이 기반 열전갈바닉 (thermogalvanic) 에너지 수확 기술을 개발했다고 한양대가 11일 밝혔다. 이 기술은 저등급 폐열의 에너지 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있어, 향후 에너지 산업에 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

저등급 폐열은 상대적으로 중저온 영역에서 발생하는 열원으로, 다양한 산업 설비와 응용 기기에서 발생하지만, 대개는 활용되지 않고 버려지고 있는 에너지원이다. 공장, 발전소, 자동차 등에서 발생하는 이 폐열을 효과적으로 회수할 수 있다면 에너지 절감과 탄소 배출 감소에 기여할 수 있다. 특히 전기자동차, 전자기기, 반도체 등에서 발생하는 열을 전기에너지로 변환하는 기술이 성공적으로 개발된다면 그 파급효과는 매우 클 것이다.

기존의 폐열 회수 기술은 폐열 발생 환경에서 온도 차이를 지속적으로 유지하는 데 한계가 있어 지속적인 에너지 생성을 어렵게 만들었다. 또한, 기존 열전갈바닉 소자는 단일 상(고체) 전극을 사용하여 성능에 제약이 있었고, 저등급 폐열의 효율적인 회수에 한계를 보였다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 고체-액체 상전이 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 활용하여 열전력을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 솔루션을 제시했다.

이번 연구에서 개발된 상전이 기반 열전갈바닉 소자는 나트륨-칼륨(Na-K) 합금 전극을 사용하여 상전이 과정에서 열전력을 극대화했다. 연구팀은 이 합금 전극이 상전이 온도 구간, 즉 고체에서 액체로 또는 액체에서 고체로 변환될 때 발생하는 엔트로피 변화가 열전력에 큰 영향을 미친다는 점을 발견했다. 특히, 상전이 과정에서 열전력이 최대 26.1 mV/K까지 증가하는 것을 확인했으며, 이는 기존 열전갈바닉 소자에서 구현된 열전력보다 10배 이상 높은 수치이다.

이번 연구의 핵심은 상전이 과정에서 발생하는 열역학적 엔트로피 변화를 활용하여 열전력을 크게 증가시킬 수 있는 새로운 전극 설계와 전해질 조합을 개발한 것이다. 이를 통해 기존 기술에서는 구현할 수 없었던 고효율 열전갈바닉 소자를 구현할 수 있었으며, 이 기술은 저등급 폐열을 고효율 전력으로 변환하는 데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 배터리 및 다양한 전기화학 소재-소자-부품 연구에도 기여할 것으로 기대된다.

한양대 김상태 교수는 “이번 연구는 물질의 상전이 및 액체 금속을 응용해 잘 알려진 물질에서도 기존에 볼 수 없던 물성을 확인할 수 있다는 점으로, 향후 액체 금속 및 상전이의 다양한 응용 연구가 있을 것으로 예상된다”고 전했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업 및 한국연구재단 선도연구센터, 중견연구사업 등의 지원을 통해 진행됐다. 또한, 논문 「Boosted Thermogalvanic Thermopower upon Solid-to-Liquid Phase Transition」은 에너지 및 환경 분야 세계 최고 학술지인 'Energy & Environmental Science'(IF=32.4, 상위 0.3%)에 2024년 8월 15일 자로 온라인 게재되어 에너지 및 차세대 배터리 분야에서 큰 주목을 받고 있다.