사람 체열로 LED전구 켠다

장성연 UNIST 교수팀
필름 발전용 이온 열전소재 개발

장성연 교수(왼쪽)와 김동후 연구원

장성연 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수팀이 세계 최고 성능의 유연 p형·n형 이온 열전 소재를 동시에 개발했다. 사람 체온과 외부 공기의 단 1.5℃ 온도 차만으로도 LED 전구를 켤 수 있는 필름 발전기 열전 소재다.

열전소재는 소재 내·외부 온도차로 전기를 만들 수 있다. '이온' 열전소재는 이온 이동으로 전기를 만든다. p형 소재는 양이온, n형 소재는 음이온이 이동한다. 이 때 온도차가 발생하면 이온이 차가운 쪽으로 쏠리면서 전압이 발생하고 전류가 흐르는 원리다.

장 교수팀이 개발한 소재의 열전 성능지수(ZTi)는 p형 49.5, n형 32.2로 현재까지 보고된 이온 열전 소재 중 가장 높은 수치다. 기존 최고 수치보다 70%나 높다. ZTi가 높을수록 온도차가 크지 않아도 전기를 잘 만든다.

p형 소재는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 복합체를 기반으로 만들었고, n형 소재는 p형 소재에 염화구리(CuCl₂)를 첨가해 만들었다. P형 소재는 양이온인 수소 이온, n형 소재는 음이온인 염화 이온이 이동해 전기를 생산한다. 두 소재 모두 가볍고 유연한 고분자 기반이라 필름 형태의 발전기를 만들 수 있다.

이온 열전소재로 만든 필름형 열전발전 모듈(위)과 실제 구동 상태(아래)

장 교수팀은 p형 소재와 n형 소재 10쌍을 직렬 연결해 필름 형태의 발전 모듈을 제작했다. 이 모듈은 1℃의 온도차가 발생할 때마다 1.03V의 높은 전압을 일으켰고, 단 1.5℃의 낮은 온도 차이만으로 LED 전구의 불을 켰다. 실내 환경에서 2개월 이상 95% 이상 성능을 유지해 우수한 장기 안정성도 입증했다.

장성연 교수는 “개발 소재는 얇고 유연해 몸이나 곡면에 쉽게 붙일 수 있다”며 “착용형 스마트 워치나 내부·외부 온도차가 수℃에서 수십℃에 불과한 환경에서 작동하는 자가발전 센서에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com