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전기가 없이는 살 수 없는 시대, 대부분의 전기 소모는 열로 바뀌는데요
그 열을 애초에 다시 전기로 바꿀 수 있다면? 무한 동력이 가능할지도..?
모두가 주목해야하고 누군가는 해결해야 할 그 기술!
[열전 소자 기술]과 그 미래에 대해 ‘공진’이 한 방에 정리했습니다!
#열전소자 #Thermoelectric #제백효과 #펠티어효과
◆ Thanks to
Written by Resonance
Editor: 이주현, 김상우
Reference:
[1] Gerald Mahan et al. Physics Today 50, 3, 42 (1997)
[2] Francis J. Disalvo et al., Science 285, 703-706 (1999)
[3] G. Jeffrey Snyder and Eric S. Toberer, Nat. Mater. 7, 105-114 (2008)
[4] Mona Zebarjadi et al. Nano Lett. 11, 2225-2230 (2011)
[5] L.-D. Zhao et al., Nature 508, 373 (2014)
[6] Gangjian Tan et al., Chem. Rev. 116, 12123 (2016)
[7] S.-J. Wang et al. Sci. Adv. 8, (2022)
◆ Music
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열전발전기술개발현황 – KoreaScience
전술한 바와 같이 열전변환에 의한 발전은 상대적으로. 낮다고 평가되는 에너지 변환효율에도 불구하고 전통적. 열기관과 달리 기계적으로 복잡한 기구의 필요없이 직류.
Source: www.koreascience.or.kr
Date Published: 6/16/2021
View: 7486
열이 바로 전기로 바뀐다고? 열전발전의 원리! – 네이버 블로그
열전소자에서 전류는 전하운반자가 따뜻한 면에서 차가운 면으로 이동하면서 발생하는데 N-형 반도체에서는 전자가, P-형 반도체에서는 홀이 그 이동하는 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 5/19/2021
View: 8315
열전발전에 대해서 – ジーマックス
열전발전이란 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 것입니다. 열전 발전은 고온과 저온 부분의 온도차에 의해 발생하는데,이는 열이 이동성을 가진 에너지를 전기 …
Source: www.z-max.jp
Date Published: 6/5/2021
View: 569
[논문]열전발전 기술의 현황 – ScienceON
현재 열전발전 분야는 나노기술 등이 발전함에 따라 폐열회수 분야 등에서 충분한 경쟁력을 가질 수 있는 ZT > 2를 도달하였고, 더 높은 효율을 갖는 소재 개발 연구가 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 12/5/2021
View: 7311
열전 발전기 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
열전 발전기(thermoelectric generator, TEG, seebeck generator)는 제베크 효과(열전 효과의 일종)라는 현상을 통해 열 유속(온도차)를 직접 전기 에너지로 변환하는 …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 10/3/2022
View: 4060
따뜻함을 전기와 맞바꾸는 ‘열전 반도체’ – 비즈니스워치
[테크따라잡기] 삼성중공업, 세계 첫 열전발전 장착 LNG선 체온 이용, 배터리 없는 웨어러블기기 가능 반대원리 활용하면 조용하고 작은 냉장고도.Source: news.bizwatch.co.kr
Date Published: 1/24/2021
View: 1891
열을 전기로 바꾸는, 손톱보다 작은 발전기 나왔다 – 동아사이언스
열전소재는 소재 양쪽의 온도 차이를 전기로 바꾸는 소재다. 열전 발전에 쓰이는 모듈은 평평한 필름 형태보다는 폭은 좁고 길이가 긴 가닥 형태가 좋다.
Source: m.dongascience.com
Date Published: 2/16/2021
View: 5566
열전 발전과 열전 냉각을 동시에 이용하는 부품 및 칩에서 발생 …
미래의 스마트폰과 태블릿 PC 같은 통신기기에서 유력한 열 방출 대안인 열전 냉각 방식을 적용하기 위해서는, 열전 냉각시 소모되는 전류 문제를 해결해야 하는데, …
Source: patents.google.com
Date Published: 1/3/2022
View: 7135
열전 발전기 시장
열전 발전기의 주요 응용 분야는 폐열회수, 에너지 수확, 직접발전 및 공동. 발전임. ○ 자동차, 항공우주, 방위, 공업, 헬스케어, 석유 및 가스채굴, 통신 등 많은 사.
Source: www.innopolis.or.kr
Date Published: 12/27/2021
View: 9809
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- Author: 안될과학 Unrealscience
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- Date Published: 2022. 5. 4.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=bsIZ8w2vORs
열이 바로 전기로 바뀐다고? 열전발전의 원리!
재료는 열전 발전기의 효율에 중요한 역할을 합니다. 물질에 따라 발전 효율은 다르므로, 소재 특성을 잘 고려하여, 열전 발전기가 사용되는 목적에 따라 적용되는 물질을 잘 선택하여야 합니다. 특히, 가장 이상적인 열전 소재의 특성은 열전도율은 낮고, 전기 전도율은 높아야 한다고 합니다.
하지만, 일반적으로 전기전도율이 높은 물질은 열전도율도 높기 때문에 이상적인 물질을 찾기에는 어려움이 있습니다. 한국전기연구원의 열전기술연구센터에서는 이러한 소재 선택부터 병합까지 효율을 높이기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다고 합니다. 앞서 설명했듯 물질의 열전도율과 전기 전도율에 따라 효율이 달라지는데, 이지은 선임연구원님께서는 이 재료 합성과 관련한 연구를 하고 계시다고 합니다.
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[논문]열전발전 기술의 현황
열전발전 기술이 태양열 등을 활용한다는 장점에도 불구하고 외면받았던 이유는?
낮은 효율과 값비싼 소재 및 공정기법의 사용으로 인해 외면받아 왔다. 전기를 만들 때는 고체상태에서 직접적으로 에너지변환이 이루어지며, 거의 반영구적으로 사용할 수 있고 CO2 배출 및 소음과 진동도 거의 없는 매우 친환경적인 미래형 발전 시스템이다[2]. 이러한 열전발전은 Table 1에 나타낸 사용 온도별 열원처럼 우리 주변에서 쉽게 찾을 수 있는 무한한 자원인 태양열 및 폐열 등을 활용하기 때문에 실용화 가능성이 매우 큼에도 불구하고, 낮은 효율과 값비싼 소재 및 공정기법의 사용으로 인해 외면받아 왔다. 그러나 1990년대 후반 이후 열전소자에 나노기반 기술이 접목되면서 변환효율이 획기적인 개선이 이루어지면서 다시 주목을 받고 있다[3].
위키백과, 우리 모두의 백과사전
열전 발전기(thermoelectric generator, TEG, seebeck generator)는 제베크 효과(열전 효과의 일종)라는 현상을 통해 열 유속(온도차)를 직접 전기 에너지로 변환하는 고체 장치이다. 열전 발전기는 열기관과 비슷하게 기능하지만 부피가 덜 차지하며 움직이는 부분이 없다. 그러나 열전 발전기는 가격이 더 비싸며 덜 효율적이다.[1]
열전 발전기는 발전소에서 폐열을 추가적인 전기적 힘으로 변환하기 위해 사용될 수 있으며 자동차에서는 연료 효율을 증가시키기 위해 자동차 열전 발전기(automotive thermoelectric generator, ATG)로 사용이 가능하다. 그 밖의 응용 부분으로는 우주 탐사에 쓰이는 방사성동위원소 열전기 발전기가 있으며 구조가 동일하지만 방사성 동위 원소를 사용하여 필요한 열량차를 만들어낸다는 점에서 차이가 있다.[1]
역사 [ 편집 ]
1821년, 토마스 요한 제베크는 2개의 상이한 전도체 간에 형성된 온도 경사(thermal gradient)가 전기를 만들어내는 것을 재발견했다.[2][3]
같이 보기 [ 편집 ]
각주 [ 편집 ]
따뜻함을 전기와 맞바꾸는 ‘열전 반도체’
열로 전기를 만드는 기술이 미래 산업으로 각광받고 있대요. 뭐 그런 다 아는 얘기냐고요? 화력 발전, 태양열 발전, 원자력 발전이 다 그런 거 아니냐고요? 그래요. 모두 뜨거운 열로 전기로 만드는 것 맞아요. 하지만 저런 발전 방식에서 열을 전기로 바꾸는 것은 터빈이에요. 에너지(열)로 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 얻는 거죠.
그러니까 현재 상용화된 ‘열로 전기를 만드는’ 방식은 ‘열→운동→전기’ 순서로 에너지가 바뀌는 걸 이용한 거예요. 하지만 이번 ‘테크따라잡기’에서 소개할 내용은 이와 달라요. 터빈(운동)이라는 중간 단계 없이도, 또 ‘따뜻한’ 정도의 온기로도 전기를 만드는 ‘열전 발전’ 얘기예요. (feat. 삼성중공업, LG이노텍, 서울대 공대, 울산과학기술원 등)
/그래픽=비즈니스워치
지구상에서 생산되는 에너지의 65%는 활용되지 못하고 열로 날아가 버린대요. 버려지는 열을 폐열(廢熱)이라고 해요. 쓰지도 못하고 에너지가 버려진다니, 아깝기도 하지만 그보다 더 큰 문제들도 생겨요. 버려지는 열은 도시를 뜨겁게 만들기도(열섬현상), 바닷물을 덥히기도 하죠. 생태계와 기후가 달라지는 원인이 되는 거예요.
열전(熱電, thermoelectric) 기술은 자동차나 배, 공장 등에서 버려지는 열을 이용해 전기를 만들어 낼 수 있는 신기술이예요. 간단히 말하면 특정 소재의 양 끝에 온도 차가 발생하면 전하가 오가는 물리 현상을 기반으로 전기를 발생시키는 거예요.
특정 열전 소재의 양 끝에 온도 차가 나게 하면 마이너스(-)를 띤 전자가 움직이면서 전위(電位)가 발생해 전류가 흐르게 돼요. 이를 ‘제벡(Seebeck, 독일 물리학자, 1821년 발견) 효과’라 하죠. 이를 응용한 장치가 열전 발전기예요. 열전 소재는 매우 희귀한 금속인 비스무트(Bi), 텔루륨(Te) 등이 대표적인데, 변환 효율이 높은 화합물(Bi₂Te₃ 등)로 만든 소자를 열전 반도체라고 하죠.
반대로 열전 소재에 전류를 흐르게 하면 양 끝에 온도 차가 발생해요. 전자가 움직이면서 한쪽은 열을 뺏기고(냉각) 반대쪽은 열을 얻는(발열) 거죠. 이건 ‘펠티에(Peltier, 프랑스 물리학자, 1834년 발견) 효과’라고 하고요. 동전의 양면과 같은 제벡-펠티에 효과가 바로 이 열전 기술의 핵심인 거예요.
열전 현상 개요/자료=LG 블로그
산업계에서는 양쪽 모두에서 새로운 미래를 보고 있어요. 제벡 효과를 이용한 열전 발전, 폐열 회수시스템 등이 개발되고 있는데요. 열전 기술을 주 에너지원으로 쓸 수는 없지만 에너지 효율을 높이는 효과는 충분하죠. 펠티에 효과로는 냉매와 압축기(컴프레서)를 사용하는 것보다 빠르고 정확하게 온도를 조절하는 냉각기기를 만들 수 있죠.
지난 13일 삼성중공업은 LG이노텍과 공동 연구를 통해 세계 최초로 선박용 열전발전 모듈 및 시스템 개발에 성공하고, 일본 해운사 NYK(엔와이케이)와 실제 선박 적용을 위한 업무 협약을 체결했어요. 연말 NYK에 인도할 17만4000m³급 액화천연가스(LNG)운반선의 추진 엔진에 열전발전 시스템을 처음 적용하는 거죠.
삼성중공업과 LG이노텍은 4년여간 함께 연구해 진동에 강하고 발전 성능을 높인 나노 구조 다결정 소재를 활용한 열전발전 모듈 및 시스템 개발에 성공, 지난 3월 프랑스 BV선급으로부터 기술 인증을 획득했대요. 이어 지난 4월에는 엔진제조업체 HSD엔진과 실제 제품 성능 테스트를 완료했고요.
미국 에너지부가 2013년 작성한 보고서에서 언급한 운송분야 열전발전 필요성 관련 내용/자료=미국 에너지부
자동차 업계에서도 엔진 폐열을 이용해 전기를 만들어 하이브리드 차량의 연비를 높이는 연구가 지속되고 있다고 해요. 이미 1990년대 초 포르셰가 처음 자동차용 열전 발전기를 개발했고, 뒤 이어 제너럴모터스(GM), BMW 등도 에너지 기업과의 협업 등을 통해 열전 기술 연구개발에 나섰다고 해요. 국내서는 현대차도 준중형차 연비를 10%가량 높일 기술 수준을 갖췄다고 하고요.
열전발전은 국내 학계에서도 계속 연구 성과가 나오고 있는데요. 최근에는 소형화, 유연화한 소재로 모듈을 만들어 체온으로 전기를 만들려는 시도가 많아요. 웨어러블(착용형) 전자기기가 늘어나면서 이에 적용할 수 있도록 하려는 것이죠.
작년 12월에는 서울대 공대 홍용택 교수팀이 피부에 완전히 밀착하는 신축성 열전소자를 개발했고요. 울산과학기술원(UNIST) 손재성·채한기 교수팀은 열전소재를 벌집 형태로 3D 프린팅하고, 이를 활용해 모듈 내 온도차를 극대화하는 기술을 지난달 개발에 성공했어요. 모두 그 결과가 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 실렸다고 하네요.
(위부터) 1. 고유연성 고성능 열전 소자의 모식도 2. 자유로운 변형이 가능한 고유연성 열전 소자 3. 유연성 열전소자를 발광소자와 연결해 뜨거운 물체를 알려주는 자가발전 장갑을 구현한 모습/사진 및 자료=서울대 공대 제공
국내에서 열전 기술에 가장 적극적인 기업을 꼽자면 LG이노텍이에요. 발전 쪽으로는 삼성중공업과의 공동 성과도 있었지만 이미 3년 전부터 소형 냉장고 냉각용 열전모듈을 납품할 정도로 상용화하고 있어요. 이 모듈은 성인 손바닥 크기 정도로 작아서 완제품 디자인을 매우 자유롭게 만들어 준대요.
열전 반도체를 사용하면 생활 가전의 크기도 기존 컴프레서 방식 대비 최대 40%까지 작고 얇게 만들 수 있다네요. 또 컴프레서 방식의 소형 냉장고 소음이 29dB(데시벨)이라면, 열전 반도체 적용 시 소음은 최대 19dB까지 낮출 수 있고요. 요즘 LG전자가 밀고 있는 고급가전 ‘LG 오브제’ 냉장고가 작고 조용한 이유라고 하네요.
이런 모듈은 정수기, 와인셀러 등에도 이미 쓰이고 있대요. 또 온도를 정밀하게 제어할 수 있어 차량용 컵홀더나 카시트 등에도 도입되고 있고요. 부품 온도를 일정하게 유지해야 하는 통신용 장비 같은 곳에도 적용해 데이터 손실을 막기도 한다니, 앞으로도 더욱 다양한 역할이 기대돼요.
[테크따라잡기]는 한 주간 산업계 뉴스 속에 숨어 있는 기술을 쉽게 풀어드리는 비즈워치 산업팀의 주말 뉴스 코너예요. 빠르게 변하는 기술, 빠르게 잡아 드릴게요. [편집자]
KR20140094064A – 열전 발전과 열전 냉각을 동시에 이용하는 부품 및 칩에서 발생하는 열 확산 수단 및 방법 – Google Patents
Household implements used in connection with wearing apparel; Dress, hat or umbrella holders
A47G25/18
Clothing hangers, e.g. suit hangers for two or more similar garments, e.g. constructed to connect to, or support, a similar hanger
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