현장의 고온가스 배출 환경을 모사한 국내 유일의 ‘테스트베드’ 통해 실증·평가

KERI 전기변환소재연구센터 박수동 박사팀이 산업부의 지원을 받아 국내 기업들이 열전발전 성능을 평가할 수 있도록 기준 체계를 확립하고, 관련 연구개발 및 설계에 필요한 기초 데이터, 실증 인프라까지 마련하는데 성공했다. 해당 연구는 한국기계연구원, 한국에너지기술연구원, 한국표준과학연구원, 서울대, 에코피아㈜, ㈜정관이 함께했다.
박수동 박사팀은 자체 개발한 AI(인공지능) 알고리즘을 통해 열전발전 성능의 ‘가늠자’인 기준 반도체 물질과 소자부터 개발했다. 먼저 AI에게 전 세계의 논문과 기술 브로셔 등 13,000여 개의 출판물을 학습시켜 가장 많이 사용된 열전 반도체의 조성을 파악하고, 이들의 평균적인 성능과 규격을 도출했다. 그리고 각종 대내외 환경(온도, 제조 방식) 조건에도 영향을 적게 받는 성질까지 분석해 산업적 척도가 될 ‘열전발전 기준 소자 3종’을 개발했다. 이를 통해 산업계에서는 KER4I 3종 소자를 기준으로, 자신들이 자체 개발·보유한 열전발전 소자의 성능을 비교·평가할 수 있다.
이에 더해 연구팀은 기업들이 열전발전 연구개발, 설계, 제조 과정에서 활용할 수 있는 ‘엔지니어링 데이터’를 만들어 수요 기업에 공개했다. 해당 데이터에는 ▲환경 특성(습기, 진동, 소금기 영향에 대한 특성) ▲전기적 특성(소자가 견딜 수 있는 전압 수준) ▲기계적 특성(강도/충격/압축 등을 견디는 정도) ▲소자 수명 예측 ▲열전 반도체 물성 정보 ▲계면 열전도도 측정 및 이론 정보 ▲성능 분석 평가 장비 정보 등 많은 내용이 담겼다.
마지막으로 박수동 박사팀은 기업들이 개발한 킬로와트(kW)급 열전발전 파워 모듈을 실증 및 평가하는 인프라도 구축했다. 산업 현장 조건과 유사하게 250 ~300도의 고온 가스가 다양한 속도(최대 14m/s)로 뿜어져 나오도록 만들어 열전발전 모듈의 성능을 철저하게 검증하는 세계 유일의 인프라다. 이미 KERI는 1.6m 길이의 kW급 열전발전 파워 모듈을 직접 만들어 인프라에서 실증하는 등 객관적인 평가 설비로서의 가치를 확인했다.
KERI는 모든 과정과 측정·평가 노하우가 담긴 기록 절차서를 만들었고, 기업들에게 무상 제공한다는 계획이다. 또한, 열전 반도체 및 소자에 따라 출력이 어느 정도 나오는지 시뮬레이션을 할 수 있는 웹사이트까지 구축(무료로 오픈)했다.