(An illustration of how the thin-film device system converts waste heat to energy. Credit: Shishir Pandya)
열에너지를 운동 에너지나 전기로 바꾸는 것은 우리가 사용하는 동력 기관이나 발전기에서 가장 기본적인 방식입니다. 하지만 사실 이 방법은 에너지 전환 효율이 그렇게 좋지 않다는 단점이 있습니다. 통상 내연 기관의 경우 20-30% 정도인데 나머지는 열의 형태로 그냥 사라지게 됩니다. 사실 그냥 사라지기만 해도 다행인게 대게의 경우 이 열을 냉각시키기 위해 별도의 공냉 및 수냉식 냉각 장치가 필요하기 때문입니다.
그런데 이렇게 버려지는 폐열을 이용해서 전기를 생산하는 연구가 진행되고 있습니다. 발전소나 내연 기관 뿐 아니라 컴퓨터나 기타 여러 가지 낮은 열에너지를 가진 장치에서 유용한 에너지를 뽑아내는 것입니다. 대표적인 방법이 바로 열을 바로 전기로 바꾸는 소재를 이용하는 것입니다. 캘리포니아 공대의 연구팀은 두께 100nm의 초전효과 (pyroelectric, 결정의 일부를 가열했을 때 그 표면에 전하가 나타나는 현상) 박막 필름을 이용해 매우 가볍고 얇은 열-전기 변환 시스템을 Nature Materials에 발표했습니다.
이 소재의 장점은 매우 얇으면서도 효율이 대단히 높다는 점입니다. 입방센티미터 당 생산 에너지는 1.06 Joules이고 526W의 전력을 생산할 수 있습니다. 에너지 전환 효율도 19%에 달합니다. 물론 이는 소재 자체가 워낙 얇아서 그렇다고 할 수 있지만, 이 얇은 구조 덕분에 플렉서블하게 만들 수 있으며 대상 표면에 얇게 필름처럼 부착해서 사용할 수 있다는 것이 큰 장점입니다.
다만 언제나 그렇듯이 내구성 및 경제성 등 여러 가지 요소를 검증하고 대량 생산이 가능하다는 점을 입증하기 전까지는 상용화 여부를 장담할 수는 없습니다. 아무튼 가능하기만 하다면 재미있는 소재라고 생각합니다. 내연 혹은 외연 기관과는 달리 초전효과나 열전효과를 이용한 방식은 매우 작은 온도 차이로도 발전이 가능하기 때문에 컴퓨터나 냉장고 같은 가전 제품에서 나오는 폐열도 활용할 수 있습니다. 그러나 낮은 효율과 약한 전류로 인해 상용화되지 못한 것이죠. 이를 극복할 신소재가 나올지 궁금합니다.
참고
Shishir Pandya et al, Pyroelectric energy conversion with large energy and power density in relaxor ferroelectric thin films, Nature Materials (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0059-8
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