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폐열을 직류 전기로 바꿔주는 간단한 소재


(This tiny silicon-based device developed at Sandia National Laboratories can catch and convert waste heat into electrical power. The rectenna, short for rectifying antenna, is made of common aluminum, silicon and silicon dioxide using standard processes from the integrated circuit industry. Credit: Randy Montoya)


 버려지는 폐열 (waste heat)을 이용해서 유용한 에너지로 사용하려는 시도는 이전부터 있었습니다. 내연 기관이나 화력 발전소 모듀 동력이나 전기로 전환되는 에너지는 얼마되지 않고 대부분 폐열의 형태로 사라지기 때문입니다. 


 더구나 이런 열이 그냥 사라지는 것도 아니라서 별도의 냉각 시스템을 갖춰야 하기 때문에 에너지 낭비가 더 심해집니다.하지만 폐열을 난방에 사용하는 방식 외에는 사실 유용하게 사용하기가 어렵습니다. 따라서 많은 과학자들이 폐열을 전기처럼 여러 가지 용도로 사용할 수 있는 에너지로 바꾸는 기술을 연구하고 있습니다. 


 미국의 산디아 국립 연구소 Sandia National Laboratories의 연구팀은 매우 단순하고 얇은 소재를 이용해 열을 지닌 물체에서 나오는 적외선 파장을 바로 직류 전기로 바꾸는 장치를 개발했습니다. 이들이 개발한 장치는 정류형 안테나 (rectifying antenna) 줄여서 렉테나 (rectenna)라고 부르는 것으로 통상 마이크로파를 전류로 바꿔 주는 장치입니다. 


 하지만 일반적인 폐열은 마이크로파 영역보다 적외선 영역에서 더 많은 에너지를 내놓기 때문에 연구팀은 새로운 형태의 렉테나를 만들었습니다. 이 렉테나는 세 개의 층으로 구성되는데, 가장 위에는 사람 머리카락 굵기의 1/20 크기의 알루미늄 줄이 새겨져 있습니다. 가장 아래층에는 실리콘이 있으며 그 사이에 이산화규소(silicon dioxide) 원자 20개 두께의 얇은 층이 존재합니다. 그 두께는사람 머리카락 굵기의 1/16,000분의 1에 불과합니다. 

​
 이 렉테나는 적외선을 수신하면 알루미늄층 아래의 이산화규소 층이 전자를 가둬 바로 직류 전기로 바꿔주는 매우 독특한 방식으로 열을 직접 전기로 바꿔줍니다. 크기가 매우 작고 움직이는 부분이 없으며 흔한 소재를 사용하기 때문에 대량 생산이 용이하고 여러 분야에 적용이 가능하다는 장점이 있으나 다른 열 - 전기 변환 소재와 비슷하게 효율이 매우 낮다는 게 가장 큰 문제입니다. 1x1cm 소재에서 얻어지는 전기는 8 나노와트에 불과합니다. 


 연구팀은 앞으로 이 소재의 효율을 높이는 연구를 진행하고 있습니다. 간단한 소재를 이용해서 우리 주변에서 나오는 여러 폐열을 바로 전기로 바꾸는 것은 과학자들의 오랜 꿈이라고 할 수 있습니다. 앞으로 획기적인 돌파구가 나오기를 기대합니다. 


 참고 


Joshua Shank et al. Power Generation from a Radiative Thermal Source Using a Large-Area Infrared Rectenna, Physical Review Applied (2018). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.9.054040


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