열전발전기 (Thermoelectric Generator)
쉽게 풀면
서로 다른 두 반도체(대개 p형과 n형)를 접합해두면, 한쪽은 뜨겁게 다른 한쪽은 차갑게 유지할 때 그 온도 차이만으로 전기가 흐르는 신기한 현상이 있습니다. 이를 제벡 효과라고 하며, 이 원리를 이용한 장치가 열전발전기입니다. 움직이는 부품이 전혀 없이 단지 온도 차이만으로 전기를 만들어내기 때문에 소음이나 마모 없이 오래 작동할 수 있습니다. 자동차 배기가스의 폐열이나 공장의 버려지는 열처럼, 그냥 버려지던 열을 다시 전기로 회수하는 데 활용됩니다.
왜 중요한가
산업 공정이나 내연기관에서 버려지는 폐열을 회수해 전기로 전환할 수 있다면 전체 에너지 효율을 높이고 온실가스 배출을 줄일 수 있어, 폐열 회수 및 에너지 하베스팅 연구 분야에서 활발히 다뤄집니다. 또한 배터리 교체가 어려운 원격 센서나 우주 탐사선의 전원으로도 응용됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
배기가스 열을 활용한 열전발전기의 성능이 고온부와 저온부 사이의 온도차에 크게 좌우된다는 실험 결과를 나타냅니다.
대표적인 열전 소재를 이용해 열전발전기의 에너지 변환 효율을 정량적으로 평가한 연구를 설명합니다.
조금 더 깊게 보면
열전발전기의 성능은 소재의 무차원 성능지수(ZT)로 평가되며, ZT가 클수록 변환 효율이 높습니다. ZT는 제벡 계수, 전기전도도, 열전도도로 결정되고, 이 세 물성을 동시에 원하는 방향으로 조절하기 어렵다는 점이 소재 연구의 핵심 난제로 다뤄집니다. 일반적으로 고온부와 저온부의 온도차가 클수록, 그리고 열 손실이 적을수록 발전 성능이 좋아집니다.
주의할 점
열전발전기는 일반적으로 기계식 발전기나 태양광 패널에 비해 변환 효율이 낮은 편으로 알려져 있어, 대용량 발전보다는 폐열 회수나 저전력 센서 전원 같은 틈새 응용에 주로 활용됩니다.