2021년 11월 영국 글래스고에서 유엔기후변화협약 당사국총회(COP26)가 열렸다. 기후변화 위기에 대한 해법을 내놓을지 주목되고 있는 가운데 탄소중립과 에너지 전환은 정책이나 전략만큼 과학기술적 해법도 중요해지고 있다.

현재 전세계에서 사용되는 에너지의 원천은 화석연료다. 원자력과 태양광·풍력 등 신재생에너지도 활용되고 있지만 탄소를 배출하는 화석연료 비중이 높다. 이같은 발전 방식에서 약 40%의 에너지는 회수되지 못하고 열에너지의 형태로 버려진다. 버려지는 열에너지를 회수해 활용 가능한 에너지로 변환할 수 있다면 탄소중립에 기여할 수 있다.

진현규 기계공학과 교수가 이끄는 ‘열및에너지연구실’은 발전 과정에서 버려지는 열에너지를 어떻게 활용할지를 연구한다. 열을 전기로 직접 변환할 수 있는 새로운 열전소자 소재 연구와 열을 수소와 일산화탄소 등 새로운 에너지와 화학물질로 변환 또는 저장할 수 있는 연구가 핵심이다.

열및에너지연구실이 연구하는 열전소자 소재 연구는 기존의 열전소자와 다르다. 자성물질 내 스핀 전류를 활용하는 방식이다. 기존 열전소자 구조는 복잡하고 공정이 번거롭다. 스핀 전류를 활용한 열전소자는 단순한 구조에 면적이 커지면 생성되는 전기에너지 양이 늘어나는 간단한 원리로 차세대 열전소자로 주목받고 있다.

자성물질을 활용한 열전소자 연구는 아직 초기 단계지만 발전 속도는 빠르다. 인공지능(AI)에 활용되는 기계학습 기반 소재 설계 기술을 적용해 연구와 실험의 정확도를 높이고 있기 때문이다.

버려지는 열에너지를 이용한 수소생산 기술은 ‘열화학 물분해 기술’이다. 보통 전기에너지로 물을 분해하는 수전해와 유사하지만 전기에너지가 아닌 열에너지로 물을 분해해 수소를 얻는 기술이다. 개질 수소에 비해 탄소가 발생하지 않고 폐열을 활용해 경제성 확보도 가능하다는 게 장점이다.

문제는 열화학 물분해를 하려면 2000도 이상의 매우 높은 온도의 열에너지가 필요하다. 촉매 물질을 사용해도 현재 기술로는 1300도 이상의 고온 열에너지가 필요하다. 열및에너지연구실은 1000도 미만의 열에너지르 물을 분해할 수 있는 새로운 촉매물질과 반응 메커니즘을 연구하고 있다.

진현규 교수가 이끄는 열및에너지연구실은 영하 271도에 가까운 매우 ‘차가운 열’과 1500도에 달하는 ‘뜨거운 열’을 모두 다루고 있다. 올해 초에는 에너지 연구 분야 최상위 저널 ‘에너지&환경과학’에 자성물질을 활용한 고성능 열전소자 제작을 위한 공정법을 최초로 제시해 주목받았다. 진현규 교수는 “환경 및 에너지 위기를 줄이겠다는 명확한 목표의식을 바탕으로 탁월한 학술적 성과를 도출하고 기술 상용화에 이바지할 것”이라고 밝혔다.