사람 체온과 공기 간의 미세한 온도 차인 단 1.5℃만으로도 LED 전구를 켤 수 있는 필름 발전기가 개발됐다. UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 장성연 교수 연구팀은 세계 최고 성능의 유연 p형·n형 이온 열전 소재를 동시에 개발했다고 13일 밝혔다.
열전소재는 소재 내·외부의 온도 차를 이용해 전기를 생산하는 발전기형 소재다. 그중 ‘이온 열전소재’는 전자가 아닌 이온의 이동으로 전기가 발생한다. p형 소재는 양이온이, n형 소재는 음이온이 움직여 전류를 생성한다. 온도차가 생기면 이온이 차가운 쪽으로 이동하며 전압이 발생하고, 이를 통해 전류가 흐르게 된다.
이번에 개발된 소재의 열전 성능지수(ZTi)는 p형 49.5, n형 32.2로, 이는 현재까지 보고된 이온 열전 소재 중 가장 높은 기록이다. 기존 최고 기록보다 약 70% 향상된 수치로, 열전 성능 지수가 높을수록 작은 온도차에서도 효율적으로 전기를 생산할 수 있다.
p형 소재는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 복합체를 기반으로, n형 소재는 p형 소재에 염화구리(CuCl₂)를 첨가해 제작했다. p형에서는 양이온(수소 이온), n형에서는 음이온(염화 이온)이 이동해 전류를 생성한다. 두 소재 모두 고분자 기반이기 때문에 가볍고 유연하며, 필름 형태로 제작이 가능하다.
연구팀은 이 두 소재를 각각 10쌍 직렬 연결한 필름형 발전 모듈을 제작해 실험을 진행했다. 그 결과 1℃의 온도차에서 1.03V의 전압을 생성했으며, 단 1.5℃의 낮은 온도차만으로도 LED 전구를 점등하는 데 성공했다. 또한 실내 환경에서 2개월 이상 95% 이상의 성능을 유지하며 장기 안정성도 입증했다.
이번 성과는 소재 내 이온 농도와 이온 확산 계수 간의 균형점을 찾아낸 열역학적 설계 방식을 통해 가능했다. 일반적으로 이온 농도가 높을수록 전력 효율이 증가하지만, 지나치게 높으면 이온 간 간섭으로 오히려 흐름이 방해받게 된다. 연구팀은 염화구리 등의 첨가물 농도와 고분자 응집도 등 소재 내부 구조를 정밀하게 제어하여 전력밀도를 극대화할 수 있는 최적 지점을 찾아냈다.
제1 저자인 김동후 연구원은 “이온 열전소재는 그동안 체계적인 설계 원리가 부족해 성능을 끌어올리기 어려웠는데, 이번 연구는 그 보편적 설계 지침을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 밝혔다.
장성연 교수는 “개발된 소재는 얇고 유연해 인체나 곡면 표면에 쉽게 부착할 수 있다”며 “배터리 없이 충전되는 착용형 스마트 워치나, 온도차가 수℃에서 수십℃에 불과한 환경에서도 작동하는 자가발전 센서 등으로 활용 가능성이 크다”고 설명했다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(Advanced Functional Materials) 10월 4일 자 온라인판에 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 InnoCORE(이노코어) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
헬로티 이창현 기자 |
