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열을 전기로 바꾸는 차세대 신성장에너지, ‘열전소자’



오늘날 우리는 전기 에너지의 흐름 속에 살고 있습니다. 냉장고부터 TV, 컴퓨터, 전자 레인지, 세탁기 등 우리는 일상 생활에서 전기를 항상 사용하고 있습니다. 이 때문에 전기가 없는 세상은 상상하기 힘들 정도입니다. 

이젠 우리에게 너무도 익숙해진 전기지만, 그 때문인지 전기에너지의 생산 과정에서 생기는 문제들에 주목하는 분은 적은 편입니다. 



발전소 ⓒpixabay


전기는 화력, 수력, 원자력, 풍력 등 발전소를 통해 생산됩니다. 그 중에서도 우리나라의 전기 대부분은 화력 발전소에서 생산됩니다. 하지만 화력발전소는 화석연료의 연소 과정에서 CO2(이산화탄소)와 같은 온실가스를 배출합니다. 이러한 온실가스로 인해 지구의 평균 기온이 상승해 지구 온난화 현상이 나타나고 있습니다. 



지구 온난화 현상 ⓒpixabay


이에 세계 각 국은 환경이 더 오염되는 것을 막기 위해 기술 개발과 제도 확립에 힘쓰고 있습니다. 그 중 하나가 환경을 오염시키지 않는 '신재생에너지'입니다. 신재생에너지에는 태양광, 풍력, 지열 등 많은 것들이 있으며, 최근엔 기존과 차별화되는 '열전소자'가 주목 받고 있습니다.



[ '열전소자'란? ]


열전소자는 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는 효과를 이용한 소자입니다. 전기저항의 온도 변화를 이용한 소자인 서미스터, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크효과를 이용한 소자, 전류에 의해 열의 흡수가 생기는 현상인 펠티에 효과를 이용한 소자인 펠티에소자가 있습니다. 그 종류는 Mg2Si계, Zn4Sb3계, AgSbTe2계, Bi2Te3계 등이 있습니다.




위 그림은 '제벡효과'를 나타낸 것입니다. 상이한 두 금속을 접합하여 전기 회로를 구성했을 때, 양쪽 접속점에 뜨거운 금속(HOT)과 차가운 금속(COLD) 사이 온도차가 있으면 회로에 기전력이 발생해 전류가 흐르게 됩니다. 다시 말해, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상이라 할 수 있습니다.



위 사진은 펠티에 효과를 나타낸 사진입니다. 금속 또는 반도체를 접속한 두 점 사이에 폐회로를 구성하여 전류를 흘리면 한 쪽은 열이 발생(Cooling)하고 다른 쪽은 열을 흡수(Warming)합니다. 즉, 기전력을 가해 냉각과 가열이 이뤄지는 현상이라 할 수 있습니다.



[ 열전소자의 장,단점 및 용도 ]


열전소자의 최대 장점은 지구의 모든 열원에서 에너지 확보가 가능하다는 점입니다. 이는 에너지원이 고갈될 염려가 없을 의미합니다. 또한 열전소자는 냉각과 가열이 모두 가능하고, 상온 부근에서의 낮은 온도차에 의해서도 에너지 확보가 가능합니다. 프레온 가스 등 지구온난화를 일으키는 냉매를 사용하지 않으며 친환경적, 반영구적 사용이 가능하다는 것도 장점입니다.


하지만 이러한 장점에도 불구하고 열전소자는 아직 상용화되지 않았습니다. 그 이유는 열전소자 관련 기술이 아직 충분히 발전하지 않았다는 데 있습니다. 열전소자는 가격이 비싸고 효율이 낮아 경쟁력이 적기에, 현재 소형 냉장고·자동차 시트의 냉각 장치·전자 제품의 냉각 장치 등 일부 분야에 한정해 쓰이고 있습니다. 향후 열전소자를 더욱 다양한 분야에서 활용하려면 앞으로 더 많은 연구가 진행되어야 할 듯합니다.


[ 열전소자의 발전 가능성 ]


 ⓒUTOIMAGE


기존에 사용해왔던 열전재료는 낮은 효율, 비싼 가격 등 여러 단점이 있습니다. 하지만 최근 열전재료로 새롭게 떠오른 산화아연계(ZnO)는 그 효율과 안정성으로 인해 활발한 연구가 이뤄지고 있습니다. 올해 9월엔 광주과학기술원 연구팀이 열전소자의 전도율을 높여 전압을 높이는 새로운 제조법을 개발하는 등, 열전소자 분야의 발전은 꾸준히 진행되는 중입니다. 비록 아직은 발전의 여지가 많지만 머지않아 열전소자가 집안의 각종 가전기기, 자동차, 발전기 등 많은 분야에 쓰일 것이라고 전망해봅니다.

 

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