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역대 최고 효율의 열전 소자



(Prof. Ernst Bauer in the lab. Credit: TU Wien)


 양쪽 끝의 열에너지의 차이가 있으면 전류가 흐르는 현상을 제백 효과 (Seeback effect)라고 부릅니다. 이런 열전소재는 영구적으로 움직이는 부분 없이 전기를 생산할 수 있으나 대부분 효율이 매우 낮고 얻을 수 있는 전기 에너지 역시 매우 작습니다. 따라서 간단한 충전 장치나 전자 온도계, 센서 등에 사용되며 널리 응용되는 방식이라고 보기는 어렵습니다. 하지만 열원만 있으면 어디서든 발전이 가능하다는 점 때문에 관련 연구가 활발하게 진행 중입니다. 앞서 몇 차례 소개드린 사례들이 있습니다. 





 제백 효과의 크기는 ZT 값 (ZT value)로 표시하는데, 대부분의 열전 소재(Thermoelectric material)는 2.5-2.8 정도입니다. 오스트리아 비엔나 공대 (TU Wien Vienna)의 에른스트 바우어 교수(Prof. Ernst Bauer)가 이끄는 연구팀은 ZT 값을 5-6으로 끌어올린 새로운 박막 열전 소재를 개발했습니다. 이들이 개발한 소재는 철, 바나듐, 텅스텐, 알루미늄 합금에 실리콘 결정을 추가한 것으로 매우 독특한 성질을 지니고 있습니다. 


 철, 바나듐, 텅스텐, 알루미늄 합금은 각각의 원자가 격자 모양으로 배열되어 매우 균질한 구조를 지니고 있으나 여기에 얇은 실리콘 결정 층을 합치면 구조가 급격히 변해 각각의 원자 옆에 랜덤하게 다른 원자가 배치됩니다. 그리고 이 상태에서 전자가 매우 효율적으로 움직여 열전 효과가 극대화 됩니다. 비록 매우 얇은 막 구조이기 때문에 생산할 수 있는 전기의 양의 적지만, 연구팀은 사물 인터넷 (IoT)나 웨어러블 기기처럼 적은 에너지만 필요로 하는 장치에 유용할 것으로 기대하고 있습니다. 


 하지만 열전 소재 연구의 궁극적인 목표는 많은 양의 열에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 소재입니다. 당장 개발이 가능하지는 않겠지만, 연구 개발을 지속하다보면 지금보다 훨씬 효과적이고 경제적인 열전 소재를 이용해서 전기를 얻는 일이 가능할 것입니다. 


 참고 


 B. Hinterleitner et al. Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy, Nature (2019). DOI:


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