열전발전과 에너지 변환을 통한 효율향상 기술

초록

열전반도체의 역사, 열전성능지수 향상에 관한 연구동향과 열전기기의 응용분야에 대해 논의하였다. 정리하며 1950년대 사람들이 생각한 반도체의 첫 응용분야는 열전반도체였다. 왜냐하면, 반도체는 금속에 비해서 Seebeck 상수가 100배가 크므로, 열전성능지수는 금속에 비해 최고 10000배 정도 증가할 수 있기 때문이다. 1950 ~ 1060년대의 활발한 열전연구에 의한 열전성능지수는 상온에서 1정도이다. 이것으로는 기존의 에너지 변환기기를 대체하기는 어려웠다. 2000년대 들어서, 나노기술의 도입으로 인하여 열전성능지수는 50, 60년대에 비해서 2배 이상 증가하였고 이러한 연구는 계속되고 있다. 주된 동향으로는 (1) 양자구속효과에 의한 S2σ의 증가를 도모하는 연구로써 Bi 나노선을 이용한 연구가 그 한 부류이고, (2) 2000년대 나노재료기반의 열전성능지수향상이 주로 열전도도의 감소로 인한 것이란 인식에 의해서, 벌크 나노복합재를 이용하여 연구가 진행되고 있다. 열전소자는 냉각이나 발전 두 가지 모두에 사용될 수 있다. 열전냉장은, 현재까지는 기존 압축기 기반의 냉동기에 비해 효율이 낮으므로, 소형화가 가능하다는 장점 때문에 광전자기기의 냉각에 주로 사용되며, 폐열회수에 있어서는 간단한 구조를 지닌 열전발전이 장점을 지니고 있다. 그러나, 철도분야나 수송분야 등과 같이 열전발전이 보다 산업화에 접근하기 위해서는 재료와 소자분야에서의 효율향상이 지속적으로 이루어 져야 하며, 열전소자의 경제성이 확보되어야 한다. 따라서, 폐열의 전기화를 통한 에너지 효율화 측면에 있어서는 다양한 방식의 열전발전 기술이 새롭게 연구될 필요가 있다.