기계연, 극한 환경 안정적 열 에너지 성능 유지 열전 소재 최초 개발 성공 Flexible All-Inorganic Thermoelectric Yarns


기계연-KAIST-한밭대, 곡면형 열원이나 비정형 표면에서 열을 효과적으로 
수확 가능한 실 형태(섬유형)의 유연 열전소재 제작 기술 최초 개발

체온을 이용해 전기를 생산하는 자가발전 소자, 스마트 의류, 
웨어러블 센서 등 다양한 응용처에 활용 기대

 


  스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용될 수 있으며, 극한의 환경에서도 안정적인 열 에너지 성능을 유지할 수 있는 열전 소재가 한국 연구진에 의해 개발되었다. 기존 열전 소재 분야의 오랜 난제였던 열전 소재의 성능과 기계적 유연성 간의 딜레마를 획기적으로 해결하였고 상용화 가능성을 입증하기도 했다.

 

고분자 첨가제 없는 순수 무기물 섬유형 유연 열전소재 연구 개략도 및 실제 이미지

 

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노리소그래피연구센터 정준호 책임연구원은 KAIST(총장 이광형) 정연식·박인규 교수 공동 연구팀과 국립한밭대학교(총장 오용준) 오민욱 교수 연구팀과 협업을 통해, 차세대 유연 전자소자를 위한 혁신적인 에너지 수확 솔루션인 ‘비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 열전 섬유’를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

 



열전 소재는 온도 차이가 있을 때 전압을 발생시켜 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소재로, 현재 약 70%의 에너지가 폐열로 사라지는 상황에서 이러한 폐열을 회수해 재활용할 수 있는 지속가능한 에너지 물질로 주목받고 있다.

우리 주변의 열원은 인체, 차량 배기구, 냉각 핀 등 대부분 곡면 형태를 띠고 있다. 세라믹 재료 기반의 무기 열전 소재는 높은 열전 성능을 자랑하지만 깨지기 쉬워 곡선형 제작이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 기존 고분자 바인더를 사용한 유연 열전 소재는 다양한 형상의 표면에 적용할 수 있지만 고분자의 낮은 전기전도성과 높은 열 저항으로 인해 성능이 제한적이었다.

기존 유연 열전 소재는 유연성 확보를 위해 고분자 첨가제가 들어가지만, 이는 소자 성능에 심각한 제약을 가져오는 문제가 있었다. 연구팀이 개발한 무기 열전 소재는 첨가제 대신 나노 리본을 꼬아 실 형태의 순도 100% 열전 소재를 제작하는 방식으로 이러한 한계를 극복했다.

무기 나노 리본의 유연성에서 아이디어를 착안한 연구팀은 나노몰드 기반 전자빔 증착 기술을 사용해 나노 리본을 연속적으로 증착한 후 이를 실 형태로 꼬아 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 무기 열전 섬유를 제작했다.

이 무기 열전 섬유는 기존 열전 소재보다 높은 굽힘 강도를 지니며 1,000회 이상의 반복적인 구부림과 인장 테스트에도 전기적 특성 변화가 거의 나타나지 않았다. 연구팀이 만든 열전소자는 온도차를 이용해 전기를 생산하는 소자로 섬유형 열전소자로 옷을 만들면 체온으로부터 전기가 만들어져서 다른 전자제품을 가동시킬 수도 있다.

실제로 구명조끼나 의류에 열전 섬유를 내장해 에너지를 수집하는 시연을 통해 상용화 가능성을 입증했다. 또한 산업 현장에서는 파이프 내부의 뜨거운 유체와 외부의 차가운 공기 사이의 온도 차를 이용해 폐열을 재활용하는 고효율 에너지 수확 시스템을 구축할 가능성도 열었다.

정준호 책임연구원은 “이번 연구는 기계시스템 및 인체에서 손실되는 열에너지를 전기에너지로 회수하여 에너지 효율을 높이고 비상 전력으로 사용할 수 있는 유연하면서도 성능이 우수한 열전섬유를 개발했다는데 큰 의미가 있다. 향후 개발한 원천기술을 기반으로 다양한 응용분야에 적용하여 상용화하기 위한 추가 연구를 진행할 계획” 이라고 밝혔다.

 


KAIST 신소재공학과 장한휘 박사과정 학생과 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 9월 17일 字 온라인판에 게재되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 후면표지(Back cover)논문으로 선정되었다. (논문명: Flexible All-Inorganic Thermoelectric Yarns)

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업, 글로벌 생체융합 인터페이싱 소재 센터, 산업통상자원부와 한국산업기술평가원(KEIT)의 지원 아래 수행되었다.

[그림 2] (왼쪽부터) 한국기계연구원 정준호 박사, KAIST 장한휘 박사과정, 고려대학교 세종캠퍼스 제어계측공학과 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사, 한밭대학교 오민욱 교수, KAIST 기계공학과 박인규 교수, KAIST 신소재공학과 정연식 교수.


기계연

Flexible All-Inorganic Thermoelectric Yarns
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408320
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