3D 인쇄 가능한 열전 잉크는 자동차 배기관을 발전기로 전환합니다.

2021년 3D 프린팅 산업상 후보가 공개되었습니다. 현재 업계를 선도하는 사람이 누구인지 말해 보세요.

울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 3D 프린팅을 이용해 발전용 튜브를 제작할 수 있는 열전잉크를 개발했다.

납(Pb)과 텔루르(Te)로 구성된 발전 튜브는 산업 또는 자동차 배기가스의 폐열로부터 전기를 생성할 수 있는 고성능 열전 발전기의 기초를 형성할 수 있습니다.

연구원들은 그들의 개발이 연료 에너지 효율을 향상시키는 유망한 수단을 제공한다고 믿으며 제한된 설계 유연성과 같은 기존 열전 재료 제조 방법과 관련된 문제를 극복하는 수단으로 3D 프린팅을 활용했습니다.

손재성 UNIST 신소재공학과 교수는 “이번 연구를 통해 가장 흔한 폐열원인 공장 굴뚝에서 발생하는 열을 효율적으로 전기로 변환할 수 있을 것”이라고 말했다.

열전 기술의 등장

최근 세계 인구 증가와 개발도상국의 생활 수준 향상으로 인해 세계 에너지 수요가 크게 증가했습니다. 연구 논문에 따르면, 현재 전 세계 에너지 소비의 80% 이상이 화석 연료에 의해 가능하며, 자연과 인간이 만든 환경에서 생성된 열 에너지의 절반 이상이 단순히 주변 환경으로 소산됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 열전 발전은 폐열 회수를 위한 안정적이고 환경 친화적인 방법을 제공할 수 있습니다. 연구원들은 열전 모듈이 효율적인 열 전달을 위해 개별 시스템에 맞게 특별히 설계되어야 하며 동시에 간단한 시스템과 낮은 처리 비용을 가져야 한다고 말합니다. 그러나 이러한 모듈을 생산하는 일반적인 제조 공정은 특히 배기 파이프의 경우 이러한 요구 사항을 충족하지 않습니다.

이를 깨닫고 UNIST 팀은 3D 프린팅으로 전환하여 다양한 열 시스템과 통합하고 지열 조정이 가능하도록 맞춤 설정할 수 있는 고성능 발전 열전 튜브를 성공적으로 설계하고 생산했습니다.

3D 프린팅 열전 발전기

연구 기간 동안 UNIST 팀은 PbTe 재료에 대한 압출 기반 3D 프린팅 프로세스를 활용하고 맞춤형 PbTe '다리'를 갖춘 발전 열전 튜브를 설계했습니다. 이어 3D 프린팅에 적합하도록 점탄성을 지닌 불순물 없는 PbTe 잉크를 개발했고, '전자 도핑'을 통해 잉크 내부 입자에 강한 표면 전하를 유도했다.

연구원들은 PbTe 잉크를 튜브 모양으로 3D 인쇄한 다음 조립하여 자립형 발전 열전 튜브를 형성했습니다. 연구원들에 따르면, PbTe 재료의 경쟁력 있는 열전 특성과 인쇄 가능성은 기존 구조의 한계를 뛰어넘는 자유형 3D 인쇄 열전 모듈의 설계를 가능하게 했습니다.

이 튜브는 자동차 배기가스의 온도 범위인 섭씨 400~800도 사이의 온도에서 높은 열전 성능을 보여주었습니다. 또한 튜브 형태 덕분에 열전발전기는 기존 직육면체형보다 열을 모으는 데 더 효과적이었습니다.

따라서 3D 프린팅된 열전 튜브는 뜨거운 유체가 흐르는 배기관으로 직접 활용될 수 있으며 가볍고 간단한 열전 발전기 시스템의 뼈대형 설계의 기초를 형성할 수 있다고 팀은 주장합니다. 이 설계는 유체와 세라믹 기판과 같은 열전 '다리' 사이에 내열층이 없기 때문에 튜브를 통한 고온 유체 흐름에서 열전 발전기까지 "열 전달을 위한 가장 효과적인 수단"을 제공하는 것으로 알려졌습니다. 철 합금으로 만들어진 기존의 열전 발전기.