열전 발전(TEG) – 버려진 열로 전기 만드는 기술

폐열을 자원으로 바꾸는 미래형 친환경 에너지

 

버려지는 열, 새로운 에너지가 되다

 

현대 사회는 에너지 효율을 끊임없이 추구하지만, 여전히 막대한 양의 에너지가 ‘열’로 버려지고 있습니다.

 

• 내연기관 자동차에서 연료의 약 60%가 열로 낭비됩니다.
• 발전소, 제철소, 반도체 공장, 데이터센터 등에서는 엄청난 폐열이 대기와 냉각수로 버려집니다.
• 심지어 우리의 인체와 생활 속 가전제품에서도 끊임없이 열이 발생합니다.

 

이러한 낭비되는 열을 전기로 바꿀 수 있는 기술이 바로 열전 발전(TEG, Thermoelectric Generation)입니다.

 

열전 발전은 특별한 기계적 장치나 연소 과정 없이, 온도 차이만으로 전기를 생산하기 때문에 “보이지 않는 신재생에너지”로 불립니다.

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1. 열전 발전의 원리

1) 제벡 효과 (Seebeck Effect)

• 서로 다른 두 금속이나 반도체를 연결했을 때, 양 끝에 온도 차이가 생기면 전압이 발생
• 전자의 이동으로 전류가 흐르며 전력 생산 가능

2) 펠티에 효과 (Peltier Effect)

• 반대로 전류를 흘리면 한쪽은 열을 흡수하고, 다른 쪽은 열을 방출
• 이는 냉각 장치에도 활용

3) 톰슨 효과 (Thomson Effect)

• 도체에 온도 구배와 전류가 동시에 존재할 때 열의 흡수·방출이 발생

👉 열전 발전은 주로 제벡 효과를 활용하며, 온도 차이 = 전력 생산의 핵심입니다.

 

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2. 열전 발전 모듈 구조

열전 발전 소자는 일반적으로 n형, p형 반도체 소재가 교대로 배열된 구조를 가집니다.

 

• n형 : 전자가 주된 전하 운반체
• p형 : 정공(hole)이 주된 운반체

 

온도 차이가 발생하면 n형과 p형 양쪽에서 전류가 흐르며 전력이 발생합니다.

이 소자들을 여러 개 연결하면 열전 모듈이 되며, 자동차 배기구·산업 폐열·웨어러블 기기에 부착할 수 있습니다.

 

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3. 열전 발전의 장점

1. 무소음·무진동
   • 기계적 회전 장치 없음
   • 유지보수 부담 적음
2. 친환경
   • 폐열을 재활용하므로 추가 연료 소모 없음
3. 소형화·모듈화 용이
   • 다양한 장소와 제품에 적용 가능
4. 장수명
   • 고체 반도체 소자 → 내구성 우수

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4. 열전 발전의 단점과 한계

1. 효율 낮음
   • 현재 상용 열전 소재의 변환 효율은 5~8% 수준
   • 태양광(20% 이상), 연료전지(40% 이상)에 비해 낮음
2. 소재 한계
   • Bi₂Te₃(텔루륨화 비스무트) 기반이 주류이나 희귀 금속 의존도 높음
   • 고온용 소재 개발이 관건
3. 비용 문제
   • 소재 가격이 비싸 경제성이 낮음

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5. 응용 분야

1) 자동차

• 엔진 배기열을 이용해 보조 전원 생산
• BMW, 포르쉐 등이 실험 적용
• 연비 개선 및 CO₂ 감축 효과

2) 산업 폐열 회수

• 제철소, 시멘트 공장, 발전소 등에서 배출되는 300~500℃의 열을 전력화
• 대규모 에너지 절감 효과

3) 웨어러블 기기

• 인체 체온을 이용해 스마트워치, 헬스케어 센서 구동
• 배터리 교체 필요 없는 IoT 센서 가능

4) 우주 탐사

• NASA는 방사성 동위원소의 열을 이용해 열전 발전기(RTG)로 전력 공급
• 보이저, 화성 탐사선 등에서 활용

5) 건축 및 생활

• 보일러, 히터, 가전제품의 열을 회수해 자가발전

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6. 글로벌 연구 및 산업 동향

1) 미국

• NASA : 열전 발전을 우주 탐사 에너지 원으로 사용
• GM·포드 : 자동차 폐열 회수 프로젝트 진행

2) 유럽

• 독일 Fraunhofer 연구소 : 고효율 열전 소재 개발
• EU Horizon 프로젝트에서 지속적으로 연구 지원

3) 한국

• KIST, KAIST, POSTECH : 신소재 개발 활발
• 현대차 : 배기열 회수 시스템 실증
• 삼성·LG : 웨어러블 적용 연구

4) 중국·일본

• 대규모 산업 폐열 회수 프로젝트
• 열전 모듈 양산 라인 구축

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7. 미래 기술 방향

1. 고성능 열전 소재 개발
   • 산화물, 실리사이드, 나노구조 소재
   • 효율 15~20% 목표
2. 저비용 대량 생산
   • 희귀 금속 의존도 줄이고, 범용 소재 적용
3. 하이브리드 발전 시스템
   • 태양광, 연료전지, 배터리와 결합한 복합 에너지 시스템
4. 스마트시티 적용
   • 건물·도로 폐열 회수 → 도시 에너지 자립도 향상

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8. 시장 전망

글로벌 열전 발전 시장

• 2025년 약 10억 달러 규모
• 2035년 50억 달러 이상 성장 예상

주요 성장 동력

• 전기차 폐열 회수
• 웨어러블 헬스케어 기기
• 산업 에너지 효율 개선

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보이지 않는 에너지를 잡는 기술

열전 발전은 아직 효율과 비용의 벽을 넘지 못했지만, 잠재력은 무궁무진합니다.

 

• 자동차와 산업에서 버려지는 열을 전기로 바꾼다면, 에너지 소비를 10~20% 줄일 수 있음
• 웨어러블 기기·IoT 시대에는 “스스로 충전하는 센서”로 새로운 시장 개척 가능
• 탄소중립, 순환경제 시대에 폐열 활용은 피할 수 없는 흐름입니다

앞으로 열전 발전은 단순한 보조 에너지 기술을 넘어, 에너지 패러다임 전환의 중요한 축이 될 것입니다.