박수동·류병기·정재환 박사팀 독일항공우주연구원 검증도 성공
세계최초 ‘신 열전효율 공식·고효율 적층형 열전발전소자’ 개발
온도 분포 정밀 분석, 구간별 최고 성능 열전반도체 최적 배열
우주 탐사선, 탐사로버 등 전력원으로 사용되는 ‘방사성동위원소 열전발전기(RTG)’인 원자력전지를 국내 전기계의 연구기관이 개발해 커다란 주목을 받고 있다.
한국전기연구원(KERI)은 박수동·류병기·정재환 박사팀이 우주 탐사선의 핵심인 원자력전지 성능을 높일 수 있는 ‘신 열전효율 공식 및 고효율 적층형 열전발전소자’를 개발하고, 독일항공우주연구원의 검증까지 받는데 성공했다고 16일 밝혔다.
원자력전지는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기로, 우주 탐사선, 탐사로버 등 전력원으로 사용되는 ‘방사성동위원소 열전발전기(RTG)’가 대표적이다.
방사성동위원소(플루토늄-238, 아메리슘-241 등)는 밀폐용기 내에서 스스로 붕괴되며 섭씨 400-700도가 넘는 높은 열을 발생한다. 원자력전지는 이 높은 열과 우주의 낮은 온도 차이를 이용하여 전기를 만들어 내는 원리(열전발전)를 이용한다.
즉, 원자력전지에는 방사성 동위원소를 이용한 ‘발열체’와 이 열을 이용하여 전기를 생산하는 ‘열전발전소자’가 핵심 기술이다. 현재 발열체는 국제적 제약으로 인해 본격적인 개발이 이루어지고 있지 않지만, 국내 열전발전 소자 기술은 KERI를 중심으로 우리나라가 국제적인 경쟁력을 가진 것으로 평가되고 있다.
원자력전지에는 저온부터 고온까지 각 온도대에서 최고 성능을 나타내는 열전반도체들이 적층 형태로 배열된 특징적 구성을 통해 구현된다. 그 이유는 열전반도체 물질의 성능이 온도에 따라 다르기 때문에 온도 분포에 맞게 최고 성능의 반도체를 배치하는 것이 매우 중요하기 때문이다.
KERI의 성과는 이러한 온도 분포를 세계최고 수준으로 명확하게 분석하고, 이를 기반으로 최적의 ‘적층형 열전발전소자’를 설계·합성한 것이다.
먼저, 연구팀은 학계에서 열전발전 효율성을 입증하는 기존 지표였던 ‘열전성능지수(ZT)*’의 오류·한계를 공식적으로 밝혀내고, 정확한 데이터를 산출할 수 있는 ‘신 열전효율 공식’을 개발하는데 성공했다.
이 공식과 KERI가 자체 보유한 열전 적층 설계 프로그램을 이용하면 고효율화를 위한 수백만 개 이상의 열전반도체 적층 조합 예측이 가능하다. 설계·탐색 시간도 수백 배 이상 빠르다. ZT를 기반으로 1개 단위 열전반도체의 성능에 의존하거나, 과거 경험만을 바탕으로 진행했던 기존 방식과 비교하면 엄청난 혁신이다.
KERI 연구팀은 이러한 원천기술을 이용하여 설계된 적층형 열전발전소자를 실질적으로 합성하는 데 성공했다. 또한, 실험을 통해 섭씨 500도 이상의 조건에서 기존 단일방식 소자보다 효율이 무려 3%이상 높은 것도 확인했다.
뿐만 아니라 수 밀리미터(mm) 높이에서 2~4층의 적층을 가능하게 하는 소자의 설계 및 합성 기술까지 확보함으로써 고효율화는 물론, 소형화·경량화까지 이뤘다. 이는 민수 분야에서도 주목하는 소형 위성, 탐색 로버 등의 보조전원 시장에서도 적용 가능한 국제적으로 경쟁력 있는 성과다.
KERI 박수동 박사는 “우리 연구원은 국내에서 처음으로 열전발전 연구를 수행한 기관으로 오랜 역사와 풍부한 원천 기술 및 실용화 데이터를 보유하고 있다”라며 “이번 성과는 재료과학에 수학과 물리학까지 도입된 융합연구의 결정체”라고 전했다.
KERI의 기술은 산업부 지원으로 이루어진 국제 공동연구를 통해 독일항공우주연구원의 성능 검증까지 마쳤다. 박수동 박사는 지난 9월 말, 독일 드레스덴에서 열린 ‘한-독 열전발전 워크숍’에서 현지 기업들을 대상으로 관련 기술을 소개하고, 호평을 받기도 했다.
KERI와 독일항공우주연구원은 ‘소자’ 단위로 범위를 넓힌 이번 성과를 활용해 다른 물질계를 활용한 ‘하이브리드형 적층 복합 열전발전소자’를 함께 개발하겠다는 목표를 공유하는 등 협력 관계를 강화하고 있다.
독일항공우주연구원 쾰른 재료연구소의 열전기능물질 연구부 Pawel Ziolkowski 부부장은 “KERI 열전발전 기술이 국제적으로도 우수한 수준을 자랑한다”라고 밝히며 “신개념 열전방정식이 적용된 소자가 원자력전지의 성능을 크게 높이고, 인류의 우주 탐사 영역을 넓히는 데 기여할 것”이라고 전했다.
연구팀은 이번 성과가 원자력전지를 활용하는 우주항공 및 국방 분야는 물론, 통신 장비 및 광학 장치의 냉각, 전기차 배터리의 온도 제어 등 다양한 산업에도 활용될 수 있을 것으로 보고, 유관기관·기업과의 협력을 강화한다는 계획이다.
한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다.
용어해설
*열전성능지수(ZT)는 소재의 구동온도/전기전도도/제백계수/열전도도 간 크기의 비로, 반세기 넘게 열전발전 학계에서 활용되어 온 보편화된 지표였으며, 이 지수가 높을수록 기술적으로 우수하다는 평가를 받아왔다. 하지만, KERI는 수년간 축적한 계산 과학기술을 기반으로, ZT가 작아도 오히려 효율이 높아지는 일명 ‘ZT 완전역전’ 현상을 찾아내는 데 성공하며 ZT의 오류 및 한계를 공식적으로 밝혀냈다. (2020년 5월, Applied Physics Letters 상위 10% 표지논문 게재)