습도 변화에도 거뜬, 날씨에 관계없이 체온으로 전기 만든다

국민대·포스텍 공동 연구진

국민대와 포스텍 공동 연구진이 다양한 습도 환경에서도 일정한 성능을 유지하는 열전 소자를 개발했다. 왼쪽부터 이현정 국민대 교수, 박태호 포스텍 교수, 김성룡 포스텍 석박사 통합과정 연구원, 함미림 LG전자 연구원./한국연구재단

국내 연구진이 습도에 따라 성능이 달라지는 열전 소자의 한계점을 극복할 방법을 찾았다. 사물인터넷(IoT)이나 웨어러블 장치의 활용도를 높이는 데 도움 될 것으로 기대를 모은다.

이현정 국민대 신소재공학부 교수와 박태호 포스텍(포항공대) 화학공학과 교수가 이끄는 공동 연구진은 습도와 온도에 관계없이 일정한 성능을 유지하는 ‘신축성 이온성 유기 열전 소자’를 개발했다고 14일 밝혔다.

열전 소자는 공장에서 나오는 폐열이나 인체에서 나오는 체온처럼 버려지는 열을 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 최근에는 웨어러블 장치가 상용화되면서 높은 신축성을 가진 이온성 기반 열전 소자가 특히 주목받고 있다. 몸에서 나오는 열을 에너지로 바꿔 전자기기에 에너지를 공급하는 방식이다. 별도의 충전이 필요 없고 시간과 장소에 관계없이 장치를 사용할 수 있다는 점에서 활용도가 높다는 평가다.

문제는 이온성 열전소자가 습도에 따라 성능이 크게 달라진다는 점이다. 70% 이상 습도에서 최적의 성능을 나타내며 외부 습도에 따라 발생하는 전압이 떨어진다. 장마철이나 겨울처럼 습도 차이가 많이 나는 시기에 성능 차이가 발생한다는 의미다.

공동 연구진은 10~90% 습도 조건에서도 성능이 일정한 신축성 이온성 열전 소자를 개발했다. 수분을 흡수하는 능력인 흡습성이 낮은 신축성 재료를 합성하고 이를 기반으로 소자를 만든 것이다.

연구진은 고분자의 사슬 구조를 조절해 신축성을 800%까지 높이는 데 성공했다. 고분자 사슬 구조 변형은 높은 신축성뿐 아니라 이온 결합의 형성과 분해를 반복해 손상에서도 회복할 수 있는 능력을 부여했다.

이렇게 만든 고분자는 두 종류의 젤로 만들었다. 젤을 섞어 만든 커플 소자는 기존의 열전 소자보다 일정한 효율을 나타냈다. 연구진이 개발한 신축성 이온성 열전 소자는 50% 이상 길이를 늘렸다가 줄인 이후에도 성능에 변화가 없었으며, 약 0.8V의 전압을 유지하는 것으로 나타났다.

연구진은 “외부 환경에 구애받지 않는 열전 소자는 다양한 환경에서 사용하는 웨어러블 소자의 에너지원으로 활용될 수 있다”며 “유연 에너지 열전소자와 체온을 에너지원으로 활용하는 웨어러블 스마트 소자의 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스’에 지난 9월 15일 소개됐다.

참고자료

Advanced Functional Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202305499

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