김상태 원자력공학과 교수가 고려대 최원준 기계공학부 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 새로운 상전이 기반 열전갈바닉(thermogalvanic) 에너지 수확 기술을 개발했다. 이 기술은 고체에서 액체로 또는 그 반대로 상전이 하는 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 활용해 열전갈바닉 소자 성능을 대폭 향상한다.

에너지 효율성이 전 세계 중요한 이슈로 떠오르는 가운데 상대적으로 중저온 영역에서 온도 차이를 가지는 열원인 ‘저등급 폐열’은 활용되지 못하고 버려지는 에너지원 중 하나다. 이번 연구에서 개발된 상전이 기반 열전갈바닉 소자는 나트륨-칼륨(Na-K) 합금 전극을 사용해 상전이 과정에서 저등급 폐열을 고효율 전력으로 변환하는 솔루션을 제공한다.

열전력은 최대 26.1 mV/K까지 증가하며 이는 기존 소자에서 구현된 것보다 10배 이상 높은 수치다. 이번 연구 결과는 해당 분야 세계 최고 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’에 지난달 게재됐으며 에너지 및 차세대 배터리 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

저등급 폐열을 고효율 전력으로 변환하는 기술 개발에 앞장선 김 호빵맨토토를 만나 자세한 이야기를 나눴다.

간단한 자기소개 부탁드립니다.

원자력공학과 부호빵맨토토 김상태입니다. 원자력 소재나 여러 구성요소로 사용되는 고체, 액체 소재 등 주로 재료와 관련해 다양한 연구를 진행하고 있습니다.

최근 개발하신 상전이 기반 열전갈바닉 소자는 어떤 기술로 구현됐나요.

열전갈바닉 소자는 그늘과 햇빛이 쬐는 공간처럼 온도차가 존재하는 환경이 있을 때 그 온도차를 전기로 바꿔주는 장치입니다. 기존 열전갈바닉 소자는 열을 줬을 때 나오는 전압의 양이 크지 않아 상용화될 만큼의 효율이 나오지 않았습니다.

금속이 고체에서 액체가 되면 얼음이 물이 되듯 녹는 현상이 발생하며 무질서도를 야기하는 엔트로피가 매우 상승하게 되는데요. 저희는 엔트로피의 변화량이 열전갈바닉 소자의 전압과 큰 관련이 있음을 확인했습니다. 이에 금속이 녹는 현상을 사용하면 전압을 키울 수 있겠다고 판단해 해당 기술을 구현하게 됐습니다.

이번 연구를 시작하게 된 계기가 궁금합니다.

인류는 아직까지도 약 30%의 효율을 가지는 에너지 기술을 사용하고 있습니다. 즉 석탄, 석유, 원자력, 태양광 등 에너지원 대부분이 생성하는 에너지의 약 30%만 우리가 원하는 전기 등의 형태로 사용하고 있죠. 우리가 가진 기술로는 나머지 65% 정도의 에너지를 활용하지 못하고 버리게 됩니다.

낭비되는 65%의 에너지가 대게 100도씨 미만의 열원인 저등급 폐열입니다. 물을 끓여 증기기관을 돌리기엔 부적절하지만, 에너지는 있는 열인 것이죠. '넘쳐나는 저등급 폐열들을 조금이라도 많은 전기로 바꿀 수 있다면 전체적인 에너지 효율을 높이는 데 기여할 수 있지 않을까'하는 고민에서 연구를 시작했습니다.

이번 연구에서 나트륨-칼륨(Na-K) 합금 전극 사용을 선택하신 이유가 무엇인가요.

나트륨과 칼륨이 저희가 목표로 하는 낮은 등급의 온도(100도씨 미만)에서 녹는 금속이었기 때문입니다. 구하기 쉬우면서도 다양한 전해질 개발이 함께 진행돼 있다는 장점을 고려했습니다.

합금 전극의 엔트로피 변화에서 열전갈바닉 소자를 개발하실 때 어떤 기술적 접근이 가장 중요했나요.

가장 고민했던 부분은 ‘금속의 녹는 현상이 더 높은 전압 발생으로 이어질 수 있는가를 증명하는 일'이었습니다. 나트륨-칼륨 합금을 써 특정 온도에서 실험했을 때 전압이 높게 나온다고 해서 단순히 그 원리에 의한 인과관계임을 확신할 순 없습니다. 반박의 여지가 충분히 있을 수 있죠.

최대한 여러 반대 실험을 구상하고 진행해 ‘정말 녹는 현상이 보다 높은 전압으로 이어진다는 것'을 증명하려고 노력했습니다. 해당 과정이 가장 어렵고 그만큼 중요했죠.

상전이 기반 열전갈바닉 에너지 수확이 중요한 이유가 무엇인가요.

금속의 녹는 현상을 통해 상전이 과정에서 발생하는 엔트로피 변화를 전압으로 바꿔보려고 시도하고, 끝내 증명해 냈다는 데 의미가 커요. 이는 금속의 녹는 현상이 전기를 늘리는 데 활용될 수 있다는 일반적인 개념을 제시한 것이죠. 해당 개념을 토대로 후속 연구의 진행 방향을 찾았다는 데 만족합니다.

연구 과정에서 가장 기억에 남는 순간은 언제인가요.

액체금속의 반응성이 생각보다 높아 원하지 않았던 사이드 리액션들을 많이 마주했어요. 실험을 할 때마다 결과가 상이하게 나오는 어려움이 있었죠. 반응성이 높아 액체금속을 활용한 것이지만, 연구 결과를 증명하기 위해서는 안정화 작업을 거쳐야 했습니다.

액체금속 사이를 연결하는 특정 전해질 용액을 사용해 문제를 풀 수 있었습니다. 이러한 용액들은 2차전지와 함께 활발히 개발된 리튬 이온 전지, 나트륨 이온 전지, 칼륨 이온 전지 등의 여러 전해질을 응용해볼 수 있게 되면서 어려움을 풀 수 있었어요.

호빵맨토토님께서 가장 관심 갖는 연구 분야는 무엇인가요.

에너지 기술 전체에 관심이 있고, 특히 에너지 생산 기술에 관심이 많습니다. 기후 변화 문제에 대응하기 위해 원자력이 가져야 하는 역할이 있다고 생각하기 때문이죠. 

우리나라는 많은 양의 수소를 활용해 4세대 청정 에너지 기술들을 구현하는 청사진을 그리고 있습니다. 예를 들면 많은 CO2가 나오는 금속 재련 과정에서 현재 용광로를 사용하는 대신 수소를 사용하려는 계획을 가지고 있어요. 그러나 정작 그 수소를 공급하는 방법에 대한 이야기는 활발하지 않습니다. 현재 형태로는 수소를 만들 때 CO2가 나오기 때문이죠.

수소를 효율적으로 생산하는 기술이 미래 에너지 기술에 꼭 필요합니다. 이에 적합한 원자로가 있어 원자력이 청정 에너지와 함께 가는 형태로 기후변화 대응을 위한 에너지 기술에 기여하고 싶습니다.

향후 교수님의 연구 계획은 무엇인가요.

수소를 효율적으로 생산하기에 가장 적절하다고 판단되는 ‘용융염 기반의 원자로’ 개발을 전 세계적으로 많이 진행하고 있습니다. 저희도 해당 연구를 진행하고 있죠. 이와 동시에 인류가 쓰지 못하는 폐열을 전기로 바꾸는 기술들도 계속해서 연구해 갈 예정입니다.

연구를 지속할 한양인에게 한 말씀 부탁드립니다.

연구 결과가 나오기까지 굉장히 오랜 시간이 걸렸어요. 다행히 최종적으로 가치를 인정받아 좋은 저널에 잘 출판됐지만요. 상이한 결과들을 컨트롤하기 위해 끊임없이 실험했던 어려운 시간들이 마치 불 꺼진 터널을 지나는 느낌이었습니다. 함께 한 대학원생들은 더 어둡고 힘들게 느꼈을 것 같더라고요.

연구를 한다는 것은 우리가 잘 알지 못하는 무언가를 어두운 터널 속에서 더듬어가는 과정과 같습니다. 긴 터널 끝에 우리가 얻을 수 있는 결론이 있는 것이죠.

몇 년이 걸릴 수도 있어요. 그러나 결국 시간 문제로 풀리거나, 터널을 지나는 과정에서 또다른 가치 있는 결과물을 얻게 됩니다. 만약 내 연구가 잘 안 풀리고 있거나 ‘되기는 하는 건가'하는 생각이 든다면 힘든 시기의 끝과 얻을 것이 있음을 생각해 주시면 좋을 것 같습니다.

같이 일하는 대학원생, 커리어개발에서 만나는 학부생들과 면담하다 보면 불확실한 진로 고민들을 갖고 있는 경우가 많아요. 불확실성에서 오는 두려움이 있는 것이죠. 연구도 실험이 성공할 것인지 여부를 확신하지 못하는 불확실함 속에서 시간과 노력을 투자해 가치 있는 결과가 나오길 고민하는 과정이에요. 진로 고민과 비슷한 형태라 할 수 있죠.

이 불확실성이 빨리 해소되길 바라는, 불안한 마음에 공감합니다. 그러나 참 아이러니하게도 모든 불확실성이 해소되는 세상에서 우리가 살고 있다면 그저 쳇바퀴 속 운명처럼 재미없지 않을까요.

돌이켜보면 불확실성을 가질 수 있다는 것은 굉장히 좋은 기회가 됩니다. 불확실성이 무서워도 계속 나아간다면 꼭 본인이 원했던 결과가 나오지 않더라도 그 과정에서 가치 있는 결과를 마주할 수 있습니다. 결국 터널에는 어떤 형태로든 출구가 있기 마련이니까요. 너무 두려워하지 말고 이것저것 시도해보면 좋겠습니다!