카이스트, 신축성 17배 뛰어난 고성능 웨어러블 열전소자 개발

▲KAIST 생명화학공학과 문홍철 교수(왼쪽) POSTECH 화학공학과 박태호 교수

열 에너지를 전기로 전환시키는 열전 소자는 버려지는 폐열을 활용할 수 있어 지속가능하고 친환경적인 에너지 플랫폼으로 주목받고 있다.

국내 연구진이 우수한 신축성과 최고 수준 성능을 보이는 열전 소자를 개발, 체온을 이용한 차세대 에너지 공급원으로의 웨어러블 소자 가능성을 한층 앞당겼다.

카이스트(KAIST, 총장 이광형)는 생명화학공학과 문홍철 교수팀이 포스텍(POSTECH) 화학공학과 박태호 교수팀과 공동연구를 통해 열역학적 평형조절을 통한 기존 N형 열전 갈바닉 소자 성능 한계 극복 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.

열전 갈바닉 소자는 전자 흐름의 방향에 따라 N형과 P형으로 구분 가능한 열전 소자로 N형(네거티브형)은 전자가 저온에서 고온 쪽으로, P형(포지티브형)은 고온에서 저온 쪽으로 전자가 이동한다.

열전 소자의 성능을 최대한 끌어올리기 위해서는 P형과 N형 소자의 통합이 필수적이다. 최근 우수한 성능을 지닌 P형 열전 소자에 대한 연구는 많이 진행되었지만 N형 열전 소자는 상대적으로 연구가 부족했다.

연구팀은 스스로 산도(pH) 조절이 가능한 젤 소재를 개발, 이온을 주요 전하운반체로 사용한 이온성 열전 소자 중 한 종류인 열전 갈바닉 소자를 구현, 이를 통해 고성능의 N형 열전 소자 특성을 구현했다.

또한 개발된 젤 소재는 가역적 가교 결합을 기반으로 약 1700% 우수한 신축성과 함께 상온에서도 20분 이내에 99% 이상의 높은 자가회복 성능을 구현할 수 있게 설계됐다.

본 연구에서 개발된 N형 이온성 열전 소자는 손목에 부착해 몸에서 지속적으로 유지되는 체온과 주변 환경의 온도 차이를 이용해 효과적인 에너지 생산에 성공했다.

문홍철 교수는 “이번 연구 성과는 기존 N형 이온성 열전 시스템이 갖고 있던 한계를 극복할 수 있는 기술"이라며 “이는 체온을 활용한 전원 시스템 실용화를 앞당기고 웨어러블 소자 구동을 위한 핵심 요소 기술이 될 것이라 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 '나노커넥트' 및 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐으며 에너지 분야 국제 학술지인 'Energy & Environmental Science' 11월 7일 표지논문으로 발표됐다.

김철훈 기자 kch0054@ekn.kr