점차 에너지 자원의 가격이 올라가고 환경에 대한 문제가 이슈가 되면서 에너지 효율을 높이기 위한 노력이 전세계적으로 진행중에 있습니다. 특히 화석 에너지의 경우 대부분의 내연 기관이나 기타 발전 등의 용도에서 버려지는 열에너지가 사용되는 에너지보다 훨신 많은 게 사실이라 이 효율을 높이기 위한 노력이 중요하다고 하겠습니다.
이런 노력 가운데 하나로 버려지는 폐열을 이용해서 에너지를 만드는 연구가 있습니다. 여러가지 방법을 이용해 열을 에너지로 바꿀 수 있지만 대부분 버려지는 열에너지가 높을 섭씨 400 - 600 도 수준으로 높을 때 가장 큰 효율을 발휘하게 됩니다. 그러나 버려지는 열에너지는 사실 그렇게 온도가 높지 않은 경우가 대부분이죠.
최근 연구되는 신물질로 텔루르화물 (Telluride. 원자번호 52 번 텔루륨 Tellurium ) 반도체가 있는데 이 물질은 가장 효과적인 열전효과 (Thermoelectric effect : 두개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고 양단에 온도차가 주면 두 접점사이에 전위차가 발생하는 현상 ) 물질로 알려져 있습니다.
노스웨스트 대학 및 미시간 주립 대학 ( Northwestern and Michigan State University ) 의 화학자, 물리학자, 재료 과학자, 공학자들은 합동으로 다양한 온도에서도 작동이 가능한 열전시스템 (thermoelectric system) 을 개발하는 연구를 진행시켰습니다. 경제적으로 생산이 가능하고 활용이 용이한 열전시스템은 다양한 폐열을 전기 에너지로 변환시킬 수 있습니다. 예를 들어 엔진에서 버려지는 에너지도 전기로 전환이 가능할 수 있습니다.
이 연구자들이 보고한 새로운 PbTe 화합물은 915K 의 온도에서 ZT 값이 2.2 에 이르는 물질입니다. 열전효과를 나타내는 척도로 ZT 값이 있는데 연구자들은 ZT 값이 2 이상인 경우 열전 효과를 이용한 전기 생산에 전환점이 될 것으로 생각하고 있으며 더 나아가 ZT 값이 2.5 에서 3인 물질을 만들기 위해 노력하고 있습니다.
더 효율적이고 가격이 저렴하며 활용이 용이한 열전소재가 개발된다면 기존의 내연 기관이나 발전소등에서 버려지는 열을 효과적으로 전기로 바꿀 수 있는 시대가 가능할 수 있습니다. 이는 전세계적으로 에너지 요구량을 효과적으로 감소시키고 온실 가스 배출량을 줄일 수 있는 중요한 기술적 혁신이기 때문에 아직까지 널리 활용이 되고 있지는 못하지만 미래를 위한 중요한 연구라고 하겠습니다. 이들의 연구는 네이처에 기재되었습니다.
참고
Journal Reference:
Kanishka Biswas, Jiaqing He, Ivan D. Blum, Chun-I Wu, Timothy P. Hogan, David N. Seidman, Vinayak P. Dravid, Mercouri G. Kanatzidis. High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures. Nature, 2012; 489 (7416): 414 DOI:10.1038/nature11439
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