[에너지산업신문]

한국전기연구원 전기변환소재연구센터 최혜경·윤민주 박사팀이 자연계에 없는 ‘메타물질’을 활용해 열전발전 소자의 신축성과 효율성을 세계 최고 수준으로 높일 기술을 개발했다.

열전발전은 열에너지를 직접 전기로 변환하는 발전방식으로 체온 정도의 저온 변환만으로도 전기를 생산할 수 있다. 이번에 개발한 열전발전 소자는 양끝의 온도차이를 전기에너지로 바꾸는 차세대 에너지 하베스팅 소자다. 메타물질은 자연계 물질과 다른 특성을 지니도록 사람이 설계해 만들어낸 물질로, 이번에 만든 것은 가로 방향으로 늘려도 세로 방향이 함께 늘어나는 특성이 있다.

자연계 물질은 가로 또는 x축 방향을 늘리면 세로 또는 y축 방향은 줄어든다. 고무 공을 누르면 납작하게 옆으로 퍼지고, 고무줄을 당기면 팽팽하게 늘어나면서 굵기는 얇아지는 것이 이같은 원리다. 힘과 수직 방향으로 압축되거나 팽창하는 비율을 푸아송비(Poisson's ratio)라고 하며, 이 메타물질은 음(-)의 푸아송비를 지녔다.

전기연구원은 이러한 메타 구조의 ‘가스켓(gasket)’을 활용해 열전소자 신축성을 최대 35%까지 높였다. 딱딱한 세라믹 기판인 열전소자는 피부나 온수관 같은 곡면에는 적용하기 어려웠다. 실리콘이나 고분자와 같은 유연성 재료를 활용하는 시도도 있었으나, 전도율이 높아 전류를 잘 흘려보내기 때문에 열손실이 일어났고 온도차를 키우기 어려웠다. 물질 경계선의 온도차이가 클수록 고효율 열전소자다.

최혜경·윤민주 박사팀이 활용한 가스켓은 열전소자의 구조적 안정성을 높였고, 다양한 형태로 변형할 수 있으며, 사람의 피부처럼 잘 늘어나고 어느 곳에도 부착할 수 있다. 또한 가스켓 내부 공기가 우수한 절연성이 있어 열 손실을 막고, 기존 유연 열전 소자 대비 온도 차를 최대 30%까지 높이는 등 열전소자의 효율성도 확보했다.

전기연구원이 개발한 열전소자는 최대 35% 이상의 신축성을 지니면서 전력생산 밀도는 20배 이상 높다. 기존 열전 소자는 1c㎡ 당 0.1마이크로와트(μW)의 전력을 생산했으나, 신 개발품은 2~3μW를 생산할 수 있다. 모듈을 늘려도 전기적 특성이 저하되지 않고, 신축성과 효율성은 세계 최고 수준이라는 것이 연구진의 설명이다. 또한 1만 번 반복 굽힘에도 소자가 성능 손실 없이 유지돼 내구성을 확보한 것도 장점이다.

최혜경 전기연구원 박사는 “이번 기술 개발을 위해 고성능 열전소재 개발 노하우, 에너지 하베스팅 전용 모듈화 기술, 안정적 자율전원장치 기술을 융합한 연구로 시너지 효과를 내고, 원천 기술 개발부터 실증, 실생활 응용까지 모두 고려했다”고 전했다.

이번에 개발한 신축성 고효율 열전소자는 인공지능과 사물인터넷 기반 웨어러블 기기, 차세대 의료기기 등에 활용할 수 있다. 배터리 등 별도의 전원 공급 장치가 필요하지 않고 간단하게 몸에 부착해 체온으로 전기를 생산해 모듈을 통해 전원을 공급한다. 한편 연구진은 이번에 개발한 열전소자 성능을 높일 냉각 기술과 전력관리회로 등을 개선하는 연구를 진행 중이다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 저명 학술지인 ‘어드밴스드 에너지머티리얼즈(Advanced Energy Materials; Impact Factor 27.8 / JCR 상위 2.5%)’ 속 표지 논문으로 최근 게재됐다.

최혜경(왼쪽)·윤민주 한국전기연구원 박사가 메타 물질을 활용한 신축·유연 열전소자를 선보이고 있다. (c)한국전기연구원

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