포항공대-UNIST, 범용 설계 프레임워크 공동 연구
포항공과대학교와 울산과학기술원 연구팀이 버려지는 열을 전기로 바꾸는 발전기 구조를 컴퓨터 스스로 설계하게 하는 '범용 설계 프레임워크'를 개발했다.[이미지=포항공과대학교]
국내 연구진이 컴퓨터에 조건만 입력해 기존 대비 효율이 8배 이상 높은 열전 발전기를 개발하는데 성공했다.
포항공과대학교(POSTECH·총장 김성근)는 화학공학과 손재성 교수·이정수 박사 연구팀이 울산과학기술원 기계공학과 정하영 교수와 함께 버려지는 열을 전기로 바꾸는 발전기 구조를 컴퓨터 스스로 설계하게 하는 '범용 설계 프레임워크'를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 중 하나인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 최근 게재됐다.
열전발전은 버려지는 에너지를 재활용하기 위한 기술이다. 온도 차이만 있으면 전기를 만들 수 있어 별도의 연료 없이 버려지는 열을 재활용할 수 있다. 하지만 아직 현장 적용할만큼의 효율이 나오지 않고 있다. 열이 어떤 경로로 들어오고 나가는지, 전기적 저항은 어떻게 분포하는지 등 복잡한 요소들이 한꺼번에 맞물려야 비로소 제 성능을 내는데, 지금까지 연구자들은 대부분 직관과 반복 실험에 의존해 구조를 설계해 왔다.
연구팀은 열 환경, 재료 물성, 접촉저항, 전기 부하 조건 등 실제로 영향을 주는 요소를 다 고려해 발전 효율을 최대화하도록 설계한 '범용 설계 프레임워크'를 개발했다.
사람이 "이 모양이 좋겠다"라고 추측하는 대신, 컴퓨터가 조건을 분석해 가장 효율적인 3차원 구조를 직접 그려내는 '토폴로지 최적화'기법을 활용했다. 그 결과 열전 발전기 기본 형태인 단순한 직육면체, 네모반듯한 벽돌 모양이 아닌 'I자형', '비대칭 모래시계형' 같은, 인간의 직관으로는 좀처럼 떠올리기 어려운 독특한 형태를 컴퓨터가 내놓았다.
연구진에 따르면 이 구조들은 열의 흐름을 정교하게 조절해 발전기 위아래 온도 차이를 최대로 키우고, 전기 저항과 접촉 손실을 동시에 줄이며, 연결된 전기 부하 조건까지 고려해 시스템 전체의 효율을 끌어올리도록 설계된 형태였다.
연구팀은 실제로 3D 프린팅 기술을 이용해 설계된 구조를 제작하고 성능을 검증했다. 기존 직육면체 구조와 비교해 최대 8.2배 높은 발전 효율을 기록했으며, 컴퓨터가 예측한 값과 실제 실험 결과도 잘 맞아떨어졌다.
손재성 교수는 "'좋은 재료를 찾는 경쟁'을 넘어, 실제 열 환경에 맞춰 형상을 자동 설계하는 '설계 기반 성능 향상'이라는 새로운 경로를 제시한다는 점에서 의미가 크다"라고 연구의 의의를 밝혔다.
정하영 교수는 "사람의 시행착오 없이 입력 조건만으로 최적 구조를 도출할 수 있는 기술"이라며, "AI와의 융합을 통해 적용 범위와 파급력이 커질 것"이라고 전했다.
댓글
0