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2016년 12월 27일 화요일

열을 전기로 바꾸는 소재



(Scanning transmission electron microscope image of a nickel-platinum composite material created at The Ohio State University. At left, the image is overlaid with false-color maps of elements in the material, including platinum (red), nickel (green) and oxygen (blue). Credit: Imaging by Isabel Boona, OSU Center for Electron Microscopy and Analysis; Left image prepared by Renee Ripley. Courtesy of The Ohio State University. )​
 현재의 발전소나 내연 기관은 열에너지 -> 운동에너지 -> 전기 에너지 형태로 전기를 생산합니다. 하지만 이 과정에서 대부분의 열에너지는 운동에너지나 전기에너지로 전환되기 보다는 폐열의 형태로 버려집니다. 그리고 이 열을 처리하기 위해서 별도의 냉각장치가 필요합니다. 사실 우리는 열에너지를 매우 비효율적으로 사용하고 있습니다.
 따라서 많은 연구자들이 버려지는 폐열을 이용한 발전 방식을 연구해왔지만, 현재까지는 난방용 등 다른 용도로 쓰는 것 이외에 비용 효과적인 폐열 사용 방식은 거의 없다고 해도 과언이 아닙니다. 이 열에너지를 회수하기 위해서 많은 시도가 이뤄지는 부분이 바로 열전효과를 이용한 것입니다. 
 독일의 물리학자 제벡(seebeck)은 1821년 서로 다른 두 금속을 붙이고 회로를 만든 다음 양쪽의 온도를 다르게 하면 전기가 흐른다는 사실을 발견했습니다. 이 효과를 제벡 효과라고 부르며 실제 우리 주변 전자기기에 알게 모르게 이를 이용한 장치가 들어가 있습니다. 하지만 얻어지는 전기의 양의 얼마되지 않다보니 실제로 발전용으로 사용하는 경우는 매우 제한적입니다.
 만약 열에너지를 효과적으로 전기에너지로 변형시킬 수 있는 물질이 있다면 아주 쉽게 폐열을 전기로 전환해 발전기나 내연 기관의 효율을 높일 수 있습니다. 더구나 움직이는 부분도 없기 때문에 오랜 시간 반영구적으로 사용이 가능합니다. 이런 이유로 쉽지는 않지만, 많은 과학자들이 더 효과적인 열에너지 전환 물질 개발에 매달리고 있습니다.
 오하이오 주립대학의 연구팀은 2012년 니켈과 백금을 이용한 나노 입자의 얇은 필름으로 열에너지를 전기로 바꾸는 물질을 저널 네이처에 발표한 바 있습니다. 이 물질의 에너지 전환 효율은 나쁘지 않았지만, 얻어지는 전력이 나노볼트 단위로 매우 낮은 문제가 있습니다.
 연구팀은 백금 나노 입자를 니켈 합금 전체에 분포시키는 새로운 방법으로 이전보다 10배 이상의 전압을 확보할 수 있는 방법을 개발했습니다. 여전히 상용화를 위해서 갈 길은 멀지만, 열기전력을 이용한 사용 발전 시스템 개발에 한 단계 더 가까이 간 것으로 평가할 수 있습니다.
 많은 주목을 받지는 못하지만, 차세대 열전소자 개발은 여러 분야에서 새로운 혁신을 불러일으킬 것입니다. 앞으로 좋은 소식이 들리기를 기대해 보겠습니다.
 참고

Stephen R. Boona et al. Observation of spin Seebeck contribution to the transverse thermopower in Ni-Pt and MnBi-Au bulk nanocomposites, Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms13714
C. M. Jaworski et al. Giant spin Seebeck effect in a non-magnetic material, Nature (2012). DOI: 10.1038/nature11221


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