3D 프린터로 '열원 일체형 열전발전기' 만드는 신기술 개발

UNIST 신소재공학부의 손재성 교수팀
3D 프린터용 무기 열전 잉크로 제작

[연구그림] 3D 프린터로 배관 모양에 딱 맞춘 열전발전기를 만든 모습. 배관에 밀착돼 열회수율이 높다/사진=UNIST

3D 프린터로 열전발전기를 제작하는 기술을 개발한 UNIST 연구진. 왼쪽부터 김민석 연구원과 손재성 교수 /사진=UNIST

【울산=최수상 기자】 3D 프린터를 이용해 ‘열원 일체형 열전발전기’를 만드는 기술이 새롭게 개발돼 관심을 모으고 있다.

보일러 배관이나 자동차 배기가스관 등 열원의 형태가 둥근 관(pipe) 모양 일지라도 3D 프린터로 관 모양에 꼭 맞는 ‘열전발전기’를 찍어내 열 손실을 줄이고 발전기 출력은 높이는 기술이다.

UNIST는 신소재공학부의 손재성 교수팀이 무기 열전 잉크를 이용, 압출형 3D 프린터로 ‘열원 일체형 열전발전기’를 제작하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

UNIST에 따르면 ‘열전효과’는 열에너지를 전기에너지로, 혹은 전기에너지를 열에너지로 바꾸는 현상이다. 열전효과를 이용하면 지열이나 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있는데, 이를 열전발전기라고 부른다.

열전발전기는 열원에 직접 부착돼 구동하며 현재 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등에서 나오는 폐열로 발전하는 기술이 널리 쓰이고 있다.

하지만 열원에 부착되는 부분이 직육면체 모양이어서 열에너지 회수에 한계가 있다. 열원 표면은 대부분 평평하지 않아 평판형 열전발전기가 제대로 접촉하지 못하기 때문이다. 이때 생기는 열손실은 발전기 출력에 매우 치명적이다.

이번에 개발된 기술로 만든 열전발전기와 같은 방식이지만 기존과는 달리 3D 프린터에 열전 잉크를 투입한 뒤 열원 모양에 맞춘 열전소재로 찍어낸다.

잉크를 이용해 입체적인 물체를 만드는 3D 프린팅 공정을 이용하면 소재 형상을 자유롭게 바꿀 수 있다는 점에 착안한 것이다. 그 결과 열전발전기는 열원과 하나처럼 붙었고 열손실도 최소화할 수 있었다.

손재성 교수는 “3D 프린팅 기술은 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작 등에 따른 비용도 줄일 수 있어 경제적이고 효율적인 방식”이라며 “3D 프린터를 이용한 열원 일체형 열전발전기는 초고성능 열전 발전 시스템의 개발 가능성을 보여준다”고 강조했다.

특히 이번에 개발한 열전 잉크는 끈적거리는 ‘점탄성’을 가지면서도 프린팅했을 때 전기적 특성을 유지해 주목받았다. 그 비결은 유기물 없이 무기물만으로 열전 잉크를 만든 데 있다.

이번 연구는 지난 15일 세계적 과학저널 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 온라인판에 발표됐다. [e-mail]

최수상 기자