포스텍, 컴퓨터가 설계한 열전발전기···효율 최대 8배 향상

버려지는 열을 전기로 바꾸는 열전발전기 분야에서, 컴퓨터가 스스로 설계한 구조가 기존 대비 최대 8배 이상의 효율을 기록하며 새로운 가능성을 제시했다.

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 손재성 교수·이정수 박사 연구팀은 UNIST 기계공학과 정하영 교수와 함께 열전발전기 구조를 자동으로 설계하는 ‘범용 설계 프레임워크’를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 Nature Communications에 게재됐다.

열전발전은 온도 차이를 이용해 전기를 생산하는 기술로, 자동차 배기열이나 산업 폐열, 인체 체온 등 다양한 곳에서 버려지는 에너지를 재활용할 수 있는 방식이다. 실제로 NASA의 우주 탐사선에도 활용될 만큼 잠재력이 큰 기술로 평가된다.

그러나 기존에는 소재 성능이 개선됐음에도 실제 발전 효율은 기대에 못 미치는 경우가 많았다. 이는 열의 흐름과 전기 저항, 접촉 손실 등 다양한 요소가 복합적으로 작용하는 ‘구조 설계’의 한계 때문으로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 토폴로지 최적화 기법을 도입했다. 이는 사람이 직관적으로 형태를 설계하는 대신, 컴퓨터가 주어진 조건을 바탕으로 가장 효율적인 3차원 구조를 스스로 도출하는 방식이다. 

연구팀은 열 환경, 재료 물성, 전기 부하 등 다양한 요소를 동시에 고려해 발전 효율을 극대화하는 설계 시스템을 구축했다.

그 결과, 기존의 직육면체 중심 구조에서 벗어나 ‘I자형’, ‘비대칭 모래시계형’ 등 독특한 형태가 도출됐다. 이러한 구조는 열의 흐름을 효과적으로 제어해 온도 차를 극대화하고, 전기적 손실을 최소화하도록 설계된 것이 특징이다.

연구팀은 3D 프린팅 기술로 실제 시제품을 제작해 성능을 검증했으며, 기존 구조 대비 최대 8.2배 높은 발전 효율을 확인했다. 또한 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 실험값이 높은 일치도를 보여 설계 방식의 신뢰성도 입증했다.

연구를 이끈 손재성 교수는 “이번 성과는 단순히 소재 경쟁을 넘어 실제 환경에 맞는 구조를 자동 설계하는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다. 

정하영 교수는 “입력 조건만으로 최적 구조를 도출할 수 있어 시행착오를 크게 줄일 수 있다”며 “향후 인공지능 기술과 결합하면 활용 범위가 더욱 확대될 것”이라고 전망했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 국가전략기술소재개발사업의 지원을 받아 수행됐다.