18 공업화학 전망, 제16권 제4호, 2013

열전 에너지 변환기술

김 일 호

한국교통대학교 신소재공학과

Thermoelectric Energy Conversion Technology

Il-Ho Kim

Department of Materials Science and Engineering, Korea National University of Transportation,

Chungbuk 380-702, Korea

Abstract: 열전현상은 고체상태에서 열과 전기 사이의 가역적, 직접적인 에너지 변환 현상이다. 열전 에너지 변환기술

은 전기에너지를 열에너지로 변환시키는 열전냉각과 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 열전발전으로 대별된다.

산업 고도화에 따른 정밀 온도제어 및 친환경 냉각기술 수요가 급증하고 있으며, 통신산업의 급속한 발전과 확대에

따른 마이크로 냉각 및 다양한 전원장치 개발이 요구되고 있다. 또한 에너지자원 고갈과 유가 급증, 다양한 에너지

수요증가에 따른 새로운 에너지 자원의 확보 방안으로서 배․폐열 에너지의 재활용과 기존 발전 시스템과의 복합화를

위해 열전 에너지 변환기술에 대한 관심이 증대되고 있다. 본 기술논문에서는 열전현상과 변환모듈을 살펴보고, 최근

관심이 증폭되고 있는 차량용 열전 발전기에 대하여 소개하고자 한다.

Keywords: thermoelectric, energy conversion, Seebeck, Peltier, TEG

1. 서 론

1)

열전재료는 전기를 통하면, 그 양단에 온도차를

발생하거나(Peltier 효과), 역으로 그 양단에 온도

차이를 부여하면 전기를 발생하는(Seebeck 효과)

재료를 말한다. 열전재료는 냉매를 사용하지 않는

열전냉각(thermoelectric cooling)이나, 열을 직접

전기로 변환하는 열전발전(thermoelectric genera-

tion)에 사용되며 이러한 기술을 열전 에너지 변환

기술이라 한다. 열전냉각 기술은 소형으로 전류제

어가 가능한 특성을 이용하여 국소 정밀 온도제어

와 냉매를 이용하지 않는 청정 냉각을 목적으로

사용된다. 그 용도는 매우 다양하여 냉정수기, 자

동차용 냉․온장고, 컴퓨터 CPU 칩의 냉각기, 광

통신용 레이저 다이오드 모듈레이터, 잉크젯 프린

터 헤드의 항온제어, 이동통신 무인기지국, 통신용

전자부품 캐비닛, 과학계측기기, 의료기기 등에 다

저자 (E-mail: ihkim@ut.ac.kr)

양하게 이용된다. 열전발전 기술을 우주선이나 핵

잠수함의 동력공급 장치와 같은 우주용 및 군사용

의 특수용도로서 발전해 왔다. 열전발전 시스템은

무공해로 에너지 재생이 가능하고, 소음이 없으며,

기계적 접촉에 의한 부품마멸이 없어 시스템 수명

이 길고 신뢰성이 높으며, 유지비가 거의 들지 않

고, 환경을 해치지 않으면서 에너지를 효율적으로

이용할 수 있는 장점을 가진다. 따라서 각종 산업

폐열과 태양열 등의 자연에너지를 이용한 발전설

비 개발이 시도되나 아직 산업용으로는 단가가 높

다는 문제점을 안고 있다.

열전변환 기술은 최근 10년간 새로운 열전재료

의 출현과 그 제조기술의 발전으로 성능이 빠르게

향상되었다. 온도구간에 따라 사용가능한 열전재

료가 다르며 약 200 ℃ 이하에서는 BiTe계가 우수

하고, 약 500 ℃까지는 PbTe계가 쓰이며 그 이상

의 온도에서는 SiGe계가 가장 우수한 성능을 갖는

다고 알려졌다. 열전현상이란 열-전기 변환이 서로

기획특집: 에너지 하베스팅

열전 에너지 변환기술

KIC News, Volume 16, No. 4, 2013 19

가역적으로 일어나는 현상으로, 19세기 초 Seebeck,

Peltier, Thomson에 의해 발견된 이래, 냉각과 발

전 분야에 응용하려는 연구가 지속적으로 진행되

어 왔다. Altenkirch는 열전재료의 성능을 평가하

기 위해 Seebeck 계수, 전기전도도 및 열전도도를

연관시킨, 소위 열전 성능지수(thermoelectric figure

of merit)의 개념을 도입하여 금속계 재료의 열전

특성을 조사하였다. 그러나 금속계 열전재료의 성

능지수가 매우 작아 열전 소자의 작동효율이 1%

정도에 불과하였다. 1930년대 후반부터 Ioffe 등에

의해 Ⅲ-Ⅴ, Ⅳ-Ⅵ, Ⅴ-Ⅵ 족의 화합물 반도체 재료

가 연구되었으며, 그 결과 100 µV/K 이상의 Seebeck

계수를 갖는 물질이 개발되어 5% 이상의 효율을

갖는 열전 소자를 만들 수 있었다. 현재 열전 특성

이 우수하여 실용화되고 있는 재료로는 (Bi,Sb)2

(Te,Se)3계, PbTe계 및 SiGe계 등 chalcogenide계

와 silicide계가 주종을 이루고 있다. 최근 고체물

리학과 재료과학의 발달과 더불어 우수한 열전특

성을 갖는 신물질(신소재) 개발에 박차를 가한 결

과, skutterudite, clathrate, half-Heusler 등의 결정

구조를 갖는 물질이 열전특성 향상에 획기적으로

기여할 수 있다는 가능성이 제시되어, 이에 대한

연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 열

전모듈의 에너지 변환특성을 살펴보고, 응용분야

중 최근 관심이 집중되고 있는 차량용 열전 발전

기(TEG, thermoelectric generator)에 대하여 소개

하고자 한다.

2. 열전현상 및 변환모듈

2.1. 열전현상

1821년 Seebeck은 이종 금속을 접합시킨 폐회

로 내에 자침을 두고, 접합부에 온도차를 주면 자

침이 회전하는 현상을 발견하여, 각종 금속의 접

합에 대해 그 효과를 정리하였다. 이 현상은 온도

차에 의해 열 기전력(thermal emf)이 발생하여 폐

회로 내에서 전류가 흐르기 때문에 일어나는 것으

로, 소위 Seebeck 효과로 알려져 있다. 서로 다른

두 재료 a와 b에 온도차(ΔT)가 존재하면 열 기전

력(Vab)은 식 (1)과 같다.

Vab abΔT (1)

여기서 비례 상수 αab를 상대 Seebeck 계수라 한

다. 이때 저온 접합부에서 재료 a로부터 b로 전류

가 흐르도록 열 기전력이 발생하는 경우, αab는

양(+)의 값을 갖는다고 정의하고, 이러한 재료는

주 전하 운반자(major charge carrier)가 정공인 p

형의 성질을 나타낸다. 반대로 전류의 방향이 재

료 b에서 a로 흐를 경우 αab는 음(-)의 값을 갖고,

주 운반자가 전자인 n형의 성질을 나타낸다. 주어

진 온도에서 모든 전기 전도체는 물질 고유의

Seebeck 계수, 즉 절대 Seebeck 계수를 갖고 상대

Seebeck 계수와 αab = αa-αb의 관계가 있다. 여

기서 αa와 αb는 각각 재료 a와 b의 절대 Seebeck

계수이다.

1834년 Peltier는 이종 금속을 연결한 회로에 직

류를 흘리면, 전류의 방향에 따라 접합부에서 흡

열 또는 발열이 일어나는 것을 발견하였고 이를

Peltier 효과라 부른다. 두 재료의 접합부에 직류(I)

를 흘릴 때 Peltier 효과에 의해 발생하는 흡․발열

량(Qp)은 식 (2)와 같다.

QP abI (2)

여기서 비례 상수 πab는 Peltier 계수로서 Seebeck

계수와 πab = αabT의 관계가 있으며, 이를 제1

Kelvin 관계식이라 한다. αab가 양의 값을 가질

때 전류가 재료 b에서 a로 흐르면 접합부에서 흡

열이, a에서 b로 흐르면 발열이 일어난다.

1851년 Thomson은 온도 기울기가 있는 조성이

균일한 도체에 전류가 흐르면, 도체 내에서 열이

흡수 또는 방출되는 것을 열역학 제2법칙으로부터

예측하였고, 이후 이 현상이 실험적으로 증명되어

Thomson 효과라 부른다. 만약 조성이 균질한 물

질에 온도 기울기(dT/dL)가 존재하고 동시에 직류

(I)가 흐르면, 물질 내부에서 발생하는 흡․발열량

(QT)은 식 (3)과 같다.

기획특집: 에너지 하베스팅

20 공업화학 전망, 제16권 제4호, 2013

Figure 2. 열전 냉각모듈.Figure 1. 열전 냉각모듈의 작동원리.

QT I dTdL (3)

여기서 τ는 Thomson 계수로서 Seebeck 계수와

τ = T(dα/dT)의 관계가 있으며, 이를 제2 Kelvin

관계식이라 한다. 따라서 열전 에너지 변환효율이

우수한 열전소재를 위해서는 Seebeck 계수, Peltier

계수 및 Thomson 계수가 큰 소재를 개발하는 것

이 중요하다. 열전계수들, 즉 Peltier 계수와 Thom-

son 계수는 각각 제1 및 제2 Kelvin 관계식으로부

터 Seebeck 계수와 관련이 있으므로 열전재료의

특성 중 Seebeck 계수를 측정하여 평가하는 것이

용이하고 중요한 방법이다.

2.2. 냉각모듈

Figure 1은 열전 냉각모듈의 작동 원리를 보여

준다. n형 전극에 (+), p형 전극에 (-) 전압을 걸어

전류를 n형에서 p형으로 흘리면, Peltier 효과에 의

해 pn 접합에서 열이 흡수되고 각 단자 전극에서

는 열이 발생한다. 이때 각 단자 전극에 적당한 방

열기를 밀착시켜 열을 외부로 방출시키면, pn 접

합에서 온도 TC의 냉각 대상물로부터 열을 계속

흡수할 수 있다. 한편, 전류의 방향을 바꾸면 pn

접합에서 발열이 일어나 대상물을 가열할 수 있

다. 열전 가열은 가해준 전력보다 큰 에너지를 이

용할 수 있기 때문에 일반 전기 저항열을 이용한

가열보다 효율이 우수하다. 이때 흡열량(QC)과 발

열량(QH)은 각각 식 (4) 및 (5)가 되며, pn 쌍(couple)

의 Seebeck 계수(αpn), 전기 저항(R), 열전도(K)에

의존한다. 일반적으로 열전 냉각․가열은 여러 쌍

의 pn 접합을 전기적으로 직렬 접속하여 사용하고

있다.

QC pnTCI

RI

KΔT (4)

QH pnTHI

RI

KΔT (5)

열전 냉각모듈은 다른 기기의 전자 회로와 전기

적 연결이 가능하고, 원격 조정과 보수가 용이하

다는 장점때문에, 적외선 센서, 레이저 다이오드,

전하 결합 소자(CCD: charge coupled device), 전

계효과 트랜지스터(FET: field effect transistor),

중앙 처리장치(CPU: central processing unit) 등의

전자 부품 분야에서 열에 의한 잡음, 수명 단축,

출력 불안정 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한 국

소 냉각 및 정밀 온도 제어가 가능하고, 응답 속도

가 빠르므로 0 ℃ 기준 접점계, 열류계, 항온조, 정

수기용 냉각․가열기, 휴대용 소형 냉․온장고 등

의 전자․의료․생활 기기에도 이용되고 있다.

Figure 2에 상용화되고 있는 냉각모듈의 예를 나

타내었다.

2.3. 발전모듈

모듈의 pn 접합을 가열하고 각 단자 전극을 저

온으로 유지하여 온도차를 발생시키면, Seebeck

효과에 의해 p형 전극에 (+), n형 전극에 (-) 전압

이 발생한다. 이 전극에 외부 부하(RL)를 연결하면

전류가 흐르므로 전력이 발생된다. 소자의 내부

저항과 부하 저항이 같을 경우 최대의 출력을 발

휘하고, 그때 발생하는 최대 전압과 전류는 각각

열전 에너지 변환기술

KIC News, Volume 16, No. 4, 2013 21

Figure 3. 열전 발전모듈의 구성: (a) 분할형, (b) 적층형.

Figure 4. 미국 NASA에서 개발한 RTG.

Figure 5. RTG가 장착된 우주탐사선.

Figure 6. 일본에서 개발한 열전 발전모듈.

V = (½)αpnΔT와 I = ½(αpnΔT/RL)이므로 최대 출

력(Pmax)은 식 (6)이 된다.

Pmax

Δ

(6)

열전 발전모듈을 전원으로 이용하기 위해서는

열전 냉각모듈과 같이 다수의 pn 쌍을 직렬로 연

결하지만, 큰 전류가 필요한 경우에는 병렬로 연

결하여 사용한다. 열전 발전모듈은 고온 접합부의

온도, 즉 동작 온도가 높을수록 효율이 높아지므

로 각 온도 영역에서 성능지수가 큰 이종 열전재

료를 접합하는 Figure 3(a)의 분할형(segmented

type) 또는 이종 재료의 소자를 적층하는 Figure

3(b)의 적층형(cascaded type)을 사용하기도 한다.

열전 발전모듈은 태양열, 해수 온도차, 폐열 등

저급 에너지의 이용을 통한 발전과 이동(휴대용)

발전이 가능하다는 측면에서 가스나 화석 연료 등

을 이용한 군사용 전원으로 사용된다. 또한 가동

부위가 없어 진동과 마모가 없으므로 신뢰성이 높

고, 무중력 하에서도 작동이 가능하므로 우주(탐

사)선, 인공위성, 인체용 특수 전원 등에 사용할

목적으로 방사선 동위 원소의 붕괴 에너지를 이용

한 발전(RTG: radioisotope thermoelectric genera-

tor) 등에 사용되고 있다. Figures 4와 5는 현재 미

국 NASA에서 사용하고 있는 RTG의 모습을, Figure

6은 일본의 KELK, Hitachi Chemical, Showa

KDE에서 개발한 열전 발전모듈의 예를 나타낸

것이다.

2.4. 에너지 변환효율

열전모듈의 작동효율에 관한 이론적 접근은

Altenkirch에 의해 이루어졌고, 그 결과 최대 작동

효율은 Carnot 효율과 물질 상수에 의존하는 것으

기획특집: 에너지 하베스팅

22 공업화학 전망, 제16권 제4호, 2013

Figure 7. 대표적인 열전재료의 성능지수[13].

로 밝혀졌다. 열전 냉각․가열모듈의 최대 작동효

율 ΦCmax와 Φ

Hmax는 각각 식 (7) 및 (8)과 같이 표

현되고, 작동효율을 COP (coefficient of perfor-

mance)라 부른다.

max

(7)

max

max

(8)

한편, 열전 발전모듈의 최대 변환효율 ηmax는

식 (9)이며, 식 (7), (8) 및 (9)에서 TH와 TC는 각각

고온과 저온 접합부의 온도이고, ΔT = TH-TC, T

는 평균 온도이다.

max

(9)

또한 Zpn는 pn 쌍의 열전 성능지수로서 식 (10)

으로 표현되며, 물질 상수 αpn, σpn, κpn은 각각

pn 쌍의 Seebeck 계수, 전기전도도 및 열전도도이

다. 소자를 구성하는 각 열전재료의 형상을 최적

으로 할 경우, 성능지수는 열전재료 고유의 물성

즉, Seebeck 계수(α), 전기전도도(σ) 및 열전도

도(κ)에 의해 좌우된다.

(10)

즉, 열전재료의 성능지수 Z는 식 (11)이 된다.

여기서 성능지수에 절대온도를 곱한 ZT를 무차원

열전 성능지수(dimensionless thermoelectric figure

of merit)라 하고, 서로 다른 사용 온도에서 최대의

성능을 나타내는 열전재료들의 특성을 비교․평

가하는데 주요 지표로 사용되며, 식 (12)와 같이

재료인자(material parameter, β)와 정비례하는 관

계가 있다. 여기서 m*와 mo는 각각 전하 운반자

(전자 또는 정공)의 유효질량과 진공 중에서의 질

량을 나타내고, μ는 운반자의 이동도를 의미한다.

(11)

～

(12)

Seebeck 계수와 전기전도도는 운반자의 농도와

산란에만 의존하고, 열전도도는 격자 진동에 의한

열전도도(κL)가 주된 기여를 하지만, 운반자 농도

가 큰 열전 반도체에서는 운반자에 의한 열전도도

(κE)의 기여도 무시할 수 없다. 한편 운반자의 농

도가 낮거나 고온의 진성 전도 영역에서는 열 여

기(thermal excitation)에 의해 생성된 정공과 전자

의 쌍이 동시에 열전도에 참여하게 되므로, 이에

따른 양극성 전도(κbi)가 Seebeck 계수와 전기전

도도뿐만 아니라 열전도도에도 중요하게 된다. 따

라서 열전 반도체의 열전도도는 일반적으로 식

(13)으로 나타낼 수 있다. 그러나 운반자가 한 종류

인 불순물 반도체에서는 κbi를 고려할 필요가 없다.

(13)

열전재료의 밴드갭 에너지(진성 천이), 운반자

농도(도핑), 화학적 안정성, 상변태 등에 따라 재

료물성이 변하기 때문에 성능지수가 온도에 따라

열전 에너지 변환기술

KIC News, Volume 16, No. 4, 2013 23

Figure 8. 자동차 연료의 효율[13].

Figure 9. 차량용 TEG 개발.

Figure 10. GM에서 개발한 차량용 TEG.

변한다. Figure 7에 대표적인 열전재료의 성능지

수를 나타내었다.

3. 차량용 열전 발전기(Automotive TEG)

차량용 내연기관의 열효율은 최대 35%를 넘지

못하며 연료의 약 1/3만이 동력에너지로 변환되고

나머지는 모두 엔진의 냉각수와 배기가스 등으로

손실된다. 이중 배기가스로 버려지는 에너지만 가

솔린 및 디젤 차량 모두 33%가 넘고 있다(Figure

8). 배기 열에너지 회수 기술로 가장 주목받는 TEG

기술은 배기 열에너지로부터 Seebeck 효과를 이용

하여 전기에너지를 재생하는 기술이다(Figure 9).

TEG 기술을 이용하여 버려지는 배기 열에너지

로부터 전기에너지 재생을 극대화함으로써 자동

차 연비 향상과 CO2 배출저감 등의 효과가 기대

된다. 자동차 배기열회수 발전을 위한 열전재료

및 TEG 개발은 미국의 GM, Caterpillar, Visteon,

BSST 등과 독일의 BMW, VW, 일본의 Toyota 등

에서 연구진행 하고 있다. 미국 DOE (Department

of Energy)가 지원하는 “Freedom CAR and Vehicle

Technologies Program”의 일부로 2005년부터 진

행되고 있으며, 2014년까지 자동차의 연료효율

10% 향상을 위해 저온/중온/고온 3-zonal cascaded

TEG (1 kW급)를 개발목표로 하고 있다. 유럽은

EU 주도로 경차에 배기열회수 전기 재생시스템을

적용하여 연비향상용 HeatReCar Project를 추진

중이며 Siemens, ROM Innovation, Bosch, Valeo

등에서 alternator의 부하경감 또는 하이브리드차

의 구동 지원용 full load시 3 kW, partial load시

1∼2 kW TEG를 개발하고 있다.

GM은 공랭식 121 W급, 수냉식 290 W급, 복합

형 600 W급 TEG를 개발하였으며, 출력향상을 위

한 중고온용 TEG와의 cascaded TEG 및 시스템

설계연구를 진행 중이다(Figure 10). BSST는 기존

의 BiTe계 열전재료를 이용하여 열전모듈 구조 및

열전발전기 형태에 대한 다양한 시도를 통해 적절

한 모듈 및 TEG 형태를 개발하였다. 6기통 3000

cc의 BMW 530i 모델에 1 kW급 TEG 시스템을

직접 적용하는 것을 목표로 고효율 열전재료 및

모듈 제작방법에 대한 연구를 진행하고 있으며,

2008년 연비 5%가 향상된 자동차를 시운전하였

다(Figure 11).

미국의 Hi-Z Technology는 BiTe계 열전재료로

구성한 Hybrid SUV용 180 W급 TEG, GM Sierria

Pickup 트럭용 330 W급 TEG 및 대형 트럭용 1

kW급 TEG를 제작하여 2004년 실차 적용시험을

기획특집: 에너지 하베스팅

24 공업화학 전망, 제16권 제4호, 2013

Figure 11. BSST에서 개발한 차량용 TEG.

Figure 12. Hi-Z에서 개발한 차량용 TEG.

Figure 13. MSU에서 개발한 차량용 TEG.

통해 중저온용 TEG의 자동차 응용 가능성을 검토

한 바 있다(Figure 12).

자동차 배기가스 온도는 400∼600 ℃이며, 엔진

의 실린더 부분이나 머플러 부분에 TEG 시스템을

적용하는 경우, 자동차 총에너지 중 3.3%의 회수

가 가능(변환효율 10% 가정)하므로 중고온 영역

의 열전 모듈 개발이 필수적이다. 중고온용 열전

재료로서는 skutterudite계와 silicide계 재료가 주

목받고 있으며, MSU에서 skutterudite계 모듈로

200 W급 TEG를 개발하였다(Figure 13). 자동차

용 TEG의 효율증대를 위해서는 중고온 TEG와

저온 TEG 개발과 더불어 각 모듈을 복합화한 케

스케이드형 TEG 기술개발이 필수적이다. BSST

에서는 케스케이드형과 더불어 세그먼트형 복합

TEG에 대한 개발이 진행 중이다.

Table 1은 TEG 적용에 따른 차량별 고려사항,

장착조건 및 장․단점을 정리한 것이다. 연료가

가솔린, 디젤 및 전기자동차와의 하이브리드도 고

려해야 하며, 승용차, SUV 및 대형트럭에 장착할

경우 장단점도 비교해야 한다. 자동차 배․폐열로

부터 발생되는 최종 전기에너지의 출력을 위해서

는 가장 근본적인 열전 발전모듈의 확보와 함께

모듈의 최적 스텍화, 생산전력의 최적화, 열원 이

용률 향상, 온도차 확보, 내구성 확보, 성능평가 기

술들과 같은 시스템화 기술이 총체적으로 요구된

다. TEG 시스템은 차종에 따라 각기 최적화된 형

태를 띠게 되는데 핵심은 폐열을 발전에 이용하는

효율을 높이기 위한 구조적 열유동 및 전달의 최

적화를 기본으로 하고 있으며 이 기술은 열전모듈

의 설계에도 영향을 미친다. 열전 발전모듈을 통

해 발생한 전력은 태양전지와 같이 적정의 부하상

태에서 최대의 출력을 생산하게 될 뿐만 아니라

차량의 운행조건에 의존하는 배기열발생 상태에

따라 수시로 전기출력이 변화하기 때문에 적절한

전력매칭과 제어 및 축전기술도 개발되어야 한다.

4. 향후 전망

열전발전 효과를 응용한 TEG는 현재 일부 산업

분야에 국한되어 응용되고 있으나 수송분야에 적

용될 경우 삶의 질 향상과 친환경 에너지를 강하

게 요구하는 미래 산업사회에서 IT, BT, ST, 가전

산업 등 다양한 분야로 확대되어 국가 첨단산업의

한 축이 될 것이다. 차량용 TEG 기술을 기존 내연

기관 차량(승용 가솔린차, 승용 디젤차, 상용차)은

물론 미래형 자동차인 하이브리드 차량에도 적용

이 가능한 기술로 CO2 배출규정을 만족시키며 연

비가 좋은 자동차를 생산하여 해외시장 경쟁력 확

열전 에너지 변환기술

KIC News, Volume 16, No. 4, 2013 25

구분가솔린 디젤 HEV/RE-EV FCEV 대형디젤

승용 SUV 승용/SUV 승용/SUV 상용차 및 대형차

고려사항

및

장학조건

- 장착위치

1) 배기가스 정화장치

뒤쪽

2) 약 800mm의 직선거

리 확보가능

- 배기온도(촉매후단)

중저부하: 300∼600 ℃

고부하: 700 ℃

- 촉매시스템(DOC, DP

F, SCR 혹은 LNT 등)

- SCR 혹은 LNT 등 센

터 머플러 대용 설계

- 배기온도(촉매 후단)

중저부하: 150∼300 ℃

고부하: 300∼400 ℃

- 후처리 시스템 혹은

EGR과 연계설계 필수

- 대용량 storage

- 엔진 운전조건이 한정

- 새로운 후처리시스

템 고려

- RE-EV의 경우 특정

운전조건의 설정 가능

- 대용량 storage

- 엔진 운전조건이 한정

- FC Stack의 냉각이

필요

- Stack 온도 60∼80

℃

- 장착위치

1) 배기가스 정화장치

뒤쪽

2) 약 800 mm의 직선

거리 확보가능

- 배기온도(촉매후단)

중저부하: 300∼500 ℃

고부하: 700 ℃

장점

- 엔진 열효율(35% 수

준)이 낮음(엔진 배기

가스 온도가 높음)

- 센터 머플러 TEG 대

체가능

- 후처리 장치가 디젤

에 비해 컴팩트함

- 배기유량이 가솔린에

비해 큼

- EGR 시스템 등에 열

전 모듈 사용가능

- 후처리 시스템 연계

설계 가능

- 대용량 storage 존재

- 후처리시스템의 콤

팩트화

- 엔진의 배기온도 상

승 및 설계점 근처

운전 조건 활용가능

- 전장 부하의 증가(많

은 부품의 전정화)

- 대용량 storage 존재

- 레이아웃 개발 용이

(규정되지 않은 차

종이므로 변경가능

성 높음)

- 전장 부하의 증가(많

은 부품의 전장화)

- 레이아웃 개발 용이

- 설치공간적인 제한

이 작다

- 정속주행이 대부분

인 차량이므로 배기가

스 온도구배가 작다

- 상용화 가능성 높다

- 중량 증가 부담이 적다

단점

- 배기온도가 높음

- 향후 배기규제 대응

을 위해 후처리 시스

템 변경(GDI의 경우

PN 규제 적용 예정)

- 대용량의 storage가

없음

- 배기온도 낮음

- 엔진 열효율이 가솔린

에 비해 높음(~42%)

- 후처리시스템이 복잡

- 배기가스 OBD 규제

강화에 따른 부담 증

가: 후처리 시스템 연

계 설계 어려움

- 대용량의 storage가

없음

- 대용량 storage에 의

한 공간 협소

- 다양한 고전력 전장

부품

- 엔진과 모터 배터리

등과의 연계 복잡

- 대용량 storage에 의

한 공간 협소

- 다양한 고전력 전장

부품

- 모터 배터리 등과의

연계 복잡

- 상대적으로 낮은 온

도영역: 50∼100 ℃

- 배기가스 온도가 낮

아 발전용량이 작다

- 엔진진동이 크다

- 내구성 확보가 어렵

다

- 추가되는 무게가 많다

출처: 산업융합원천기술개발사업 기획보고서, 2011

Table 1. 차량별 TEG 비교

Figure 14. 열전 에너지 변환기술의 응용(출처: 소재원천기

술개발사업 기획보고서 2008).

보도 가능하다. 또한 저온부터 중고온 영역의 폐

열이 발생하고 있는 발전소, 철강, 석유화학 등 기

간산업 분야의 폐열 회수 시스템에 활용함으로써

에너지 사용 효율을 획기적으로 증대시키고 CO2

배출을 감소시킴으로서 환경문제의 해결에 적극

적으로 기여할 수 있다. 인공위성․우주선용 보조

전원, 군사용, 휴대용, 극지 전원 공급용, 인공장기

용 전원 등 일반적인 발전 시스템의 적용이 불가

능하거나 장기간 안정적인 전원 공급이 요구되는

특수발전 분야에 활용하여 우주항공 분야, 국가안

보 관련분야, 모바일 기기 관련분야 및 의료 기기

분야 등의 기술 발전에 크게 기여할 것으로 전망

된다(Figure 14). 이를 위해서는 소재를 연구하는

재료공학은 물론 물리․화학․전자․기계 분야의 학제간 연구가 필요하고, 소재의 응용측면에서 연

기획특집: 에너지 하베스팅

26 공업화학 전망, 제16권 제4호, 2013

김 일 호

1990 연세대학교 금속공학과

공학사

1992 연세대학교 금속공학과

공학석사

1996 연세대학교 금속공학과

공학박사

1998 한국전자통신연구원 화합물

반도체연구부 Post-Doc.

1998∼현재 한국교통대학교 신소재

공학과 교수

2007 국제열전학회 편집위원장

2007∼2010 한국재료학회 편집위원/

편집이사

구소와 기업체의 적극적인 참여가 요구된다.

참 고 문 헌

1. D. M. Rowe, “Thermoelectric Handbook”,

CRC Press, Boca Raton, FL (2006).

2. D. M. Rowe, “Thermoelectrics and Its Energy

Harvesting: Materials, Preparation, and Charac-

terization in Thermoelectrics”, CRC Press,

Boca Raton, FL (2012).

3. D. M. Rowe, “Thermoelectrics and Its Energy

Harvesting: Modules, Systems, and Applica-

tions in Thermoelectrics”, CRC Press, Boca

Raton, FL (2012).

4. R. R. Heikes and R. W. Ure, Jr., “Thermo-

electricity: Science and Engineering”, Intersci-

ence Pub., New York-London (1961).

5. A. F. Ioffe, “Semiconductor Thermoelements

and Thermoelectric Cooling”, Infosearch Ltd.,

London (1957).

6. H. J. Goldsmid, “Thermoelectric Refrigera-

tion”, Plenum Press, New York (1964).

7. 上村欣一, 西田勳夫, “熱電半導體とその應用”,

日刊工業新聞社, 東京 (1988).

8. 西田勳夫, “熱發電素子の現狀”, 自動車硏究 6,

79 (1980).

9. 김일호, “(Bi,Sb)2(Te,Se)3계 열전소자의 박막

화 및 작동 특성에 관한 연구”, 연세대학교 대

학원 박사학위논문 (1996).

10. 지식경제부 산업융합원천기술개발사업 기획

보고서 (2011).

11. 지식경제부 소재원천기술개발사업 기획보고

서 (2008).

12. 지식경제부 에너지자원기술개발사업 기획보

고서 (2008).