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구기고 찢어도 자가 치유, '이온성 고효율 열전소재' 개발...세계 최초
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구기고 찢어도 자가 치유, '이온성 고효율 열전소재' 개발...세계 최초
  • 김민철 기자
  • 승인 2020.06.21 08:00
  • 댓글 0
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UNIST 장성연 교수팀, 국민대 전주원 교수팀 공동연구
열에너지를 전기에너지로 바꾸는 소재 개발
자가 치유 특성·신축성 지닌 이온성 열전소재 최초 합성 성공
연구진 사진- Zico Alaia Akbar 연구원 제1저자(왼쪽), UNIST 장성연 교수(중앙), 국민대 전주원 교수(오른쪽)

몸의 열을 전기 에너지로 바꿔주는 옷, 가능할까?

국내 연구진이 늘리고, 구기고, 찢어져도 금세 회복하는 고효율 열전소재를 개발했다. 

일상생활에서 발생하는 폐열을 활용해 전기를 생산할 수 있는 에너지소자로 열전소자가 활용이 기대되고 있는데 인체의 열을 이용해 효과적으로 전기를 생산하는 웨어러블 열전소자의 개발 가능성을 실현시키기 위해서는 우수한 열전특성과 인체에 독성이 낮고, 변형과 파괴를 회복할 수 있는 열전소재 개발이 필수적이라고 한다.

UNIST 에너지 및 화학공학부 장성연 교수팀과 국민대학교 응용화학부 전주원 교수팀이 공동으로 자가 치유 능력과 신축성을 동시에 지닌 '이온성 고분자 열전소재'를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다. 

개발된 자가 치유 열전소재의 신축성과 자가 치유 성능
개발된 자가 치유 열전소재의 신축성과 자가 치유 성능/UNIST

열에너지로부터 전기를 만드는 소재에 자가치유 능력을 부여해 우수한 열전 변환 능력과 신축성을 모두 갖는 물질을 합성하는 데 성공했다고 한다. 

스마트 워치나 VR 안경과 같은 착용하는 전자기기가 상용화되고 몸에서 나는 열을 전기에너지로 바꿔 전자기기에 전원을 공급하는 '열전발전'에 대한 연구가 활발하다. 

열전발전은 온도차가 발생하면 자발적으로 전류가 흐르는 열전소재를 이용하는 데 높은 효율을 갖는 열전소재는 대부분 딱딱한 무기 물질이다. 

딱딱한 유리는 신축성도 없고 쉽게 파손되듯, 무기물 기반 열전소재도 인체의 움직임에 때문에 발생하는 변형이나 기계적 손상에 취약하다. 반면 유기물 기반 열전소재는 유연하고 신축성이 좋다는 장점이 있지만 열전 변환 효율은 높지 않다는 문제가 있었다. 

개발된 열전소재의 자가 치유 성능. 그림(a) 자가 치유 열전소재의 작동 개략도. 절단 후에도 자가 치유를 통해 전기전도성을 유지함.
개발된 열전소재의 자가 치유 성능. 그림(a) 자가 치유 열전소재의 작동 개략도. 절단 후에도 자가 치유를 통해 전기전도성을 유지함./UNIST

공동연구팀은 전도성 고분자와 전해질 고분자를 이용해 높은 열전변환성능을 갖는 유기물 기반 열전소개를 개발했다. 

개발된 열전소재는 전자 대신 이온이 움직여 전압이 발생하기 때문에 유기고분자임에도 열전 변환 효율이 높다고 한다. 또한 구조 내부의 물리적 가교 때문에 매우 높은 신축성을 지녔으며, 찢어짐과 같은 파손을 스스로 치료할 수 있다. 

개발된 열전소재의 열전 성능 지수(ZT)는 1.04로 이제껏 개발된 유기열전소재 중 가장 높다. 열전 성능 지수는 소재 내에서 발생된 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 능력을 보여주는 지표인데, 일반적인 유기열전소재의 열전 성능지수는 0.3 이하이다. 또한 신축성도 좋아 원래 길이의 7.5배까지 늘어날 수 있으며 반복적 늘림과 절단에도 열전 성능을 유지했다. 

그림(b) 절단 실험 후에도 자가 치유를 통해 기전력(Thermovoltage) 유지 (c) 여러 번의 절단과 자가 치유를 반복해도 안정적인 기전력과 전도효율을 보임/UNIST

개발된 열전소재를 이용하면 전기에너지를 생산하고 바로 저장할 수 있는 에너지소자 제조가 가능하다는 장점이 있다. 

연구팀은 개발된 열전소재를 이용해 열전 슈퍼커패시터 복합에너지 소자를 제조했다. 열전발전의 경우 생산되는 전력량이 일정치 않아 전기를 저장해야 생산된 전력을 더 효율적으로 사용할 수 있다. 

해당 연구는 향후 웨어러블 자가전원을 개발하는 데 있어 새로운 전기를 마련하는 소재를 개발했다는 데 큰 의미가 있다고 한다. 

이 연구수행은 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다. 또한 에너지 소재 분야의 가장 권위 있는 학술지인 ‘Energy and Environmental Science’에 5월 15일자로 온라인 게재됐으며 출판을 앞두고 있다.


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