열전소자 적용 동향

현재 자동차 연료는 냉각에 29%, 기계적 작동에 38%가 사용되고 33%가 폐열로 낭비되고 있는데, 열전발전을 통해 유용한 전기로 변환시킬 수 있다. GM, 포드, 크라이슬러 등 자동차 제조업체들은 대학 및 연구소와 공동으로 폐열을 회수하는 열전발전을 이용해 자동차 연료효율을 높이는 데 주력하고 있다.

(그림 1)에서 보듯이 GM과 포드는 머플러에 열전재료를 입혀 폐열을 전기로 바꿔 다시 엔진의 보조전력으로 사용하거나 차량시트 냉난방 등에 활용하는 기술을 개발하고 있다. 또 관련 기술이 더 발전되면 소각로·전기로 발전，항공우주용 핵발전，체내 의료용 전원，군사용 독립 전원기기 등 열이 발생하는 모든 분야에서 활용이 가능하다. GM 연구진들은 코발트, 아세나이드, 니켈, 철 등으로 구성된 skutterudite라는 열전소자를 사용하고 있는데 가장 큰 과제는 시스템 레벨 디자인으로 폐열로부터 최적화된 방법으로 전기를 얻는 것이다[2].

(그림 1)

GM과 포드의 자동차 열전발전 동향[15]

‹출처› http://www.energy.gov

퍼듀대학교 연구진은 2010년 12월 자동차의 폐열로부터 전기를 얻는 열전발전기를 개발하였다. 미 과학재단으로부터 3년간 140만 달러의 연구비 지원을 받아 GM과 공동으로 수행하였다. 열전발전기는 충전 배터리와 자동차 전기시스템으로부터 전기를 생성시켜 엔진 부하를 경감하고 연비를 개선시킨다. 700℃ 폐열로부터 에너지를 회수하는데 현재 5%의 연료절감 효과를 얻고 있고, 앞으로 더 높은 고온에서 견디면 10%까지 절감효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다[3].

벤츠와 BMW는 자동차 머플러에 열전소자를 장착해 폐열을 전기로 바꿔 엔진 보조전기나 시트 냉난방에 활용하는 기술을 개발하고 있다. 에너지 하베스팅의 일환으로 자동차 배기구를 통하여 방출되는 열을 열전소자를 이용하여 재활용하는 연구를 진행 중이다. 자동차 배기부인 exhauster에 열전소자를 배치함으로써, 자동차 엔진효율에는 아무런 간섭 없이 전기에너지를 충전함으로써 10% 이상의 연료절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상하고 있으며, 시제품 장착을 통한 효율개선에 주력하고 있다.

BMW는 폐열회수를 위해 전문가 및 연구자들로 Tur-bosteamer 및 Thermoelectric Generator 프로젝트를 수행하고 있다. Turbosteamer는 폐열로부터 에너지를 회수하는 프로세스로 가스터빈을 이용해 이미 발전 플랜트에서 대규모로 실행되었다. BMW는 2005년 12월 듀얼사이클 시스템에 기반한 터보스티머를 공개하였는데, 1세대 기술의 가능성을 입증했고, 기존 엔진보다 15% 효율이 증가하였다. 이후 크기를 줄이고 최적의 비용/편익 효과를 얻기 위해 시스템을 단순화하는 노력이 진행되고 있는데, 프로젝트가 완료되면 Turbosteamer는 무게가 10∼15㎏에 불과하고 자동차에서 필요한 모든 전기에너지를 공급해주며 장거리 주행 시 연비를 10% 개선하는 효과를 볼 것이다. 미래 목표는 열관리와 BMW EfficientDynamics의 이상적인 결합인데, 지능적 열관리시스템은 마찰을 줄이고 연료소비를 절감한다[4].

Ameringon-BSST는 미 에너지부의 지원을 받아 자동차 효율향상을 위해 엔진에서 나오는 폐열을 이용한 열전 발전소자를 제작하기 위해 BMW와 함께 공동연구를 진행하고 있다. 자동차 폐열을 회수해 다시 전기에너지를 생산하는 연구를 수행하고 있다. 배기구에서 나오는 폐열을 열전발전소자를 이용해 수확하고 이를 변환하여 앞쪽에 배터리에 충전하는 방식으로 자동차의 연료효율도 높이고 에너지도 동시에 절약하는 효과를 볼 수 있다. 이러한 연구를 통해 연료효율을 10%, 연비는 30% 이상 향상된 열전발전소자를 이용한 자동차를 출시할 예정이다. Protype REGs Developed in DOE-VTP 프로그램에서는 포드, BMW, GM 등과 공동으로 TEG 기술개발을 통해 연료효율 5%를 향상되는 성과를 보았고, 최근 7년간의 BMW 및 포드사와의 1천만 달러 TEG 프로그램을 완료하였다[5].

폭스바겐은 2008년 10월 베를린에서 개최된 열전발전기를 장착한 자동차 시제품을 공개하였다. 고속도로 운전에서 열전발전기로 600W의 전력을 얻었는데, 이는 전기적 요구의 30%를 충족시키는 것으로 5% 이상의 연료절감 효과를 가져왔다.

중압(MV: Medium Voltage) 및 저압(low Voltage) 부스바(busbar)는 전기 접속(electric connections)을 떨어뜨리는 매우 특수한 실패의 위험에 직면한다. 개조된 유선이나 광(光)감지센서는 비용과 작업중단 때문에 불가피하게 사용되지 못한다. 열영상(Thermal Imaging)은 단지 가끔 순간의 인상을 제공할 뿐으로 대다수 돌발적인 실패와 생산 손실 등 운영상의 실패가 대다수이다. TE-qNODE는 무선의 유연성으로 인프라 구축비용 없이 매우 매력적인 가격과 성과로 이러한 위협을 제거해주고 유지도 매우 용이한 편이다.

2011년 10월 마이크로펠트(Micropelt)는 (그림 2)에서 보듯이 초저전력 무선 애플리케이션을 위한 정비가 필요 없는 자체 유지 전력원인 TE-Core를 발표하였다. 기존의 난방 라디에이터를 마이크로펠트 기술을 이용해 자체 유지와 배터리 사용 감소, 자동온도조절장치를 전환시킨다. 지능형 라디에이터 밸브는 화석에너지 사용량을 10~20% 절약시켜주며, 배터리를 교체할 필요가 없다.

(그림 2)

Micropelt-Schneider 및 Marlow의 무선 센싱 제품

Marlow Industrie가 특허권을 갖는 EverGen Power Strap은 산업용이나 오일/가스용의 실제적이고 경제적이며 항구적인 에너지원으로 제공하기 위한 유체 파이프나 폐열 등의 열에너지 회수용으로 열전발전기 기술을 이용한다. 전력생산은 크기, 온도차, 부착된 스트랩의 양에 따라 막대한 전기를 생산할 수 있다. 열전발전기 파워 스트랩은 어떠한 적용에도 맞게 구경과 형태를 이용할 수 있다.

2013년 초, ABB는 열전에너지 수확으로 산업용 애플리케이션을 처리하는 무선온도송신기 WiTemp를 공개하였다. WiTemp는 열전발전기에 통합되어 전력관리를 수행하며, 열을 전기로 가공하는 디바이스이다.

열에너지 수확을 위해 GE는 2013년 Perpetua와 협력해 무선온도센서를 개발하였다. 스타트업 벤처회사인 Logimesh는 2014년 Marlow사와 협력해 무선 센싱 솔루션 Logimote를 개발하였다.

(그림 3)에서 보듯이 NASA의 방사성 동위원소 열전발전기(RTGs: Radioisotope Thermoelectric Generator)는 열전지(thermocouples)장치를 이용하여 플루투늄(Pu-238) 연료를 전기를 발생시킴에 따라 나오는 열을 전환시켜 우주선에 전기동력을 제공한다. 열전지는 매일 냉방기, 냉장고, 의료용 서모미터(thermometer) 등의 온도를 모니터하거나 조절해야 한다. 현재 사용하고 있는 열전발전기는 다기능 방사성 동위원소 열전발전기로 2개의 바이킹호 및 파이오니아 10호, 파이오니아 11호 우주선(SNAP-19 RTG)에 사용된 RTG에 기반했다.

(그림 3)

NASA Radioisotope 열전발전기

원자력 추진 심장박동기(Pacemaker)는 전기 자극으로 심장박동을 지속시키는 장치인 페이스메이커(Pacemaker)에 사용되는 동력으로 플루투늄(Pu-238)에 기반한 방사능 등 다양한 전력원이 사용되었다((그림 4)참조). 원자력 추진 심장박동기는 매우 소량의 방사능을 사용하며, 폐기 후 적절한 방법에 의해 처리된다.

웨어러블 애플리케이션용 전원으로 Perpetua는 박막 플랙시블 기술에 기반한 저전력 무선센서 개발에 초점을 맞추고 있다. Perpetua의 열전발전기는 웨어러블 애플리케이션용으로 초저전력 Zarlink 무선과 협력해 15m 거리에 정보를 무선으로 전달하는 데 적합한 동력원이다. 사람 팔에 장착한 디바이스로 인체의 다른 부분들은 강력한 전기를 이용할 수 있는 온도차를 제공한다.

(그림 4)

원자력 추진 심장박동기(Peacemaker)

<출처>: http://osrp.lanl.gov, http://www.implantable-device.com

빌딩과 홈오토메이션 응용분야는 지금까지 에너지 하베스팅 발전에 있어서 가장 성공적으로 수행되었다.

Keiback & Peter는 EnOcean과 협력하여 (그림 5)에서 보듯이 빌딩의 라디에이터에 적용되는 열전발전기 작동 히팅밸브 등 다양한 제품을 출시하였다. 이 장치는 밸브가 원하는 온도를 얻기 위해서는 액추에이터 구동을 촉진하여 적은 온도차를 필요로 할 뿐이다. 기본적으로 실내온도센서와 라디에이터 액추어이터 제어장치 간 무선통신을 이용한다. 재충전 배터리는 라디에어터를 끄거나 냉각 시 온도차에 의해 자가동력으로 충분히 따뜻해지도록 하는 데 사용된다.

(그림 5)

홈오토메이션용 열전기기

<출처>: IDTech, 2014.

독일 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소는 Sentinel이라 부르는 창문 위치센서를 개발하였다. 센서, 자석, RF노드, 태양전지를 탑재한 창문은 열전발전기를 이용하는데 Seuffer사가 생산할 예정이다.

Laird Technology사는 버려진 폐열을 수확하는 빌딩용 온수/가스파이프장치를 개발하였다.

가. 쿠킹센서

마이크로펠트사는 2011년 MSX Technology와 함께 (그림 6)에서 보듯이 쿠킹센서를 공동으로 개발하였다. 마이크로펠트의 열에너지 수확기술은 쿠킹기어의 작동수명동안 쿠킹센서를 끼워놓고 잠가준다. 에너지효율 쿠킹은 조리과정을 통제하는 데 기반하고 있다. 쿠킹냄비의 뚜껑에 탑재된 무선센서는 온도와 음향 데이터를 냄비받침(hob)에 전달하고, 냄비받침은 식품 유형에 따라 최소 에너지로 최적의 결과를 얻도록 조리과정을 통제한다. 사용자는 완전 자동화된 조리과정이 시작되도록 버튼을 누르면 된다.

(그림 6)

기타 열전소자 응용제품

<출처>: IDTech, 2014.

나. PowerPot

쿠킹센서와 유사하게 열전기술을 사용해 동력을 생산하는 기기로써 PowerPot이 있다. 사용자는 이용되는 열 원천의 세기를 선택함으로써 시스템의 동력생산을 조정할 수 있다. 중간의 불꽃과 물을 선택하면 적당한 온도로 끓여준다. Powerpot이 물을 끓이는 동안 MP3 플레이어나 스피커 등 USB 디바이스의 충전이나 작동에 이용될 수 있다.

다. Fire Charger

FlameStower사는 제백효과를 이용해 열전변환소자를 적용하여 USB로 발화시킬 수 있는 Fire Charger를 개발하였다. USB 충전기 스펙은 전압 5V, 전력 2-3W, 무게 230g, 크기 20×6×3㎝이다.

라. 냉각기

Z-Max는 페르체 모듈로 작고 소음 없는 미래의 냉장고를 구현하였다. 2012년 열전소자 페르체 모듈을 선보였는데, 전자가 이동하면서 방출하는 열에너지를 한쪽에서 흡수하고 다른 쪽에서 방출하는 소자로 청소기, 소형 냉장고 등에 적용한다. 작고 가벼우며, 응답성이 뛰어나 전원을 차단하면 차가워진다. 냉매가 필요 없고, 구동음과 진동이 없으며, 온도조절을 쉽게 할 수 있다[6].

RMT는 러시아의 열전업체로 소형에서 고압모듈까지 다양한 열전모듈을 제조하는데 1×1㎟에서 18×18㎟까지 다양하다. 열전 냉각기는 크기와 효율에 따라 몇 가지 시리즈로 구분되며 통신, 산업, 의료, 우주항공 등에 사용된다[7].

제너릭스는 ㈜비엘아이와 함께 (그림 7)에서 보듯이 2011년 11월 기존 데스크형 정수기 대비 크기와 전력소모를 약 40% 줄인 초소형 냉정수기 '콜럼버스'를 출시했는데, 컴프레서 대신 발열소자를 채택해 부피와 전력소모를 대폭 줄였다. 기존 제품과 냉각 성능은 동일하면서 제품 전면 폭은 175㎜로 구현해 크기를 40% 줄였다. 냉수와 온수를 별도 공급하는 기존 정수기와 달리 단일 코크에서 1~75℃까지 사용자가 물 온도를 자유롭게 설정할 수 있다.

(그림 7)

국내의 열전소자 적용 제품

웅진코웨이는 2012년 초 가로 18cm, 세로 36cm '한뼘 정수기'를 출시하였다. 국내 판매 중인 냉온정수기 중 가장 작은 크기로, 부피가 큰 저장탱크와 온수탱크, 냉매압축기(컴프레서)를 없애고, 순간 온수가열시스템과 전자 냉각장치, 나노트랩 필터 등 신기술을 적용하였다. 원할 때마다 순간적으로 최고 92℃까지 온수 추출이 가능한데, 일반 온수시스템에 비해 에너지 사용량이 85%나 절감된다[8].

리빙케어는 열전반도체를 기반으로 온도제어시스템을 개발하는 업체로 2013년 2월 정수기용 순간 온수 유닛을 개발해 코웨이의 '한뼘정수기(가로 18㎝, 세로 37.5㎝)'에 적용했다. 특히 '순간 온수가열'이 가능해 전기료 절약효과를 누릴 수 있다[9].

에이스텍은 열전소자기술을 활용한 반도체 검사장비를 생산하고 있다. 또 열전소자를 이용한 소형냉장고, 와인셀러, CPU 쿨러 등 가정용품뿐만 아니라 폐열회수 발전장비 등 산업설비 및 반도체장비 수리 등의 분야에 적용이 가능한 열전모듈 및 장비를 제작, 판매하고 있다[10].

HTRD(Heat Transfer Research & Development) Korea는 1) TF-Heater(건조장치), 2) 폐열회수 발전 및 에너지 절감, 3) 냉/온수 공급(Heat Pump), 4) 냉장고, 5) 소형 난방기, 6) 중계기 및 산업용 항온장치 등을 생산하고 있다.