극한 환경에도 성능 유지하는 열전 섬유

KAIST·한밭대·기계연, 실 형태의 유연 열전 소재 제작 기술 최초 개발

한국과학기술원(KAIST)의 정연식 신소재공학과 교수와 박인규 기계공학과 교수 공동 연구진이 오민욱 국립한밭대 교수, 정준호 한국기계연구원(기계연) 책임연구원 연구진과 협업을 통해 차세대 유연 전자소자를 위한 혁신적인 ‘비스무트 텔루라이드 열전 섬유’를 개발했다./KAIST

국내 연구진이 스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용할 수 있고, 극한의 환경에서도 안정적인 열에너지 성능을 유지할 수 있는 열전 소재를 개발했다. 기존 열전 소재 분야의 오랜 난제였던 열전 소재의 성능과 기계적 유연성 간의 딜레마를 획기적으로 해결한 데 이어 상용화 가능성을 입증했다.

한국과학기술원(KAIST)의 정연식 신소재공학과 교수와 박인규 기계공학과 교수 공동 연구진이 오민욱 국립한밭대 교수, 정준호 한국기계연구원(기계연) 책임연구원 연구진과 협업을 통해 차세대 유연 전자소자를 위한 혁신적인 ‘비스무트 텔루라이드 열전 섬유’를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

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

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

연구진이 개발한 비스무트 텔루라이드 무기 열전 섬유./KAIST

연구진은 무기 나노 리본 소재는 무기 소재인데도 유연하다는 점에 주목했다. 나노 리본은 굵기가 가는 띠 형태의 2차원 소재를 말한다. 이에 착안해 비스무트 텔루라이드 소재의 나노 리본을 꼬아 실 형태의 무기 열전 소재 ‘비스무트 텔루라이드 무기 열전 섬유’를 제작했다.

해당 무기 열전 섬유는 기존 열전 소재보다 높은 굽힘 강도를 지니며 1000회 이상의 반복적인 구부림과 인장 테스트에도 전기적 특성 변화가 거의 나타나지 않았다. 연구팀이 만든 열전소자는 온도 차를 이용해 전기를 만드는 소자로 섬유형 열전소자로 옷을 만들면 체온으로부터 전기가 만들어져서 다른 전자제품을 가동할 수도 있다.

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

정연식 교수는 “이번 연구에서 개발된 무기 유연 열전 소재는 스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용될 수 있으며, 극한의 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 향후 추가 연구를 통해 상용화될 가능성이 크다”고 말했다. 박인규 교수는”이 기술은 차세대 에너지 수확 기술의 핵심이 될 것이며, 산업 현장의 폐열 활용부터 개인용 웨어러블 자가발전 기기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 강조했다.

연구 결과는 국제 학술지 ’어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 지난 9월 17일 게재됐다.

참고 자료

Advanced Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202408320

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