KAIST-한밭대-기계연, 새로운 열전소재 개발..."폐열모아 '무한동력'을 꿈꾸다"

에너지 수확 솔루션 '비스무트 텔루라이드 열전 섬유' 개발

(지디넷코리아=박희범 기자)국내 연구진이 극한 환경에서도 폐열을 전기 에너지로 변환할 수 있는 새로운 열전 소재를 개발했다. 열전소재는 폐열로 사라지는 에너지의 70% 정도를 전기로 회수할 수 있는 첨단 분야다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 정연식 교수와 기계공학과 박인규 교수 공동 연구팀이 차세대 유연 전자소자를 위한 혁신적인 에너지 수확 솔루션인 ‘비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 열전 섬유’를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

이 기술 개발에는 국립한밭대학교 오민욱 교수와 한국기계연구원 정준호 박사 연구팀이 참여했다.

한국원자력연구원 정용록 박사(왼쪽)와 KAIST 신소재공학과 장한휘 박사과정(오른쪽)이 만능재료시험기를 사용해 소재의 강도를 분석 중이다.(사진=KAIST)

열원은 어디나 널려 있다. 그러나 대부분 열 발생원이 곡면 형태를 띠고 있다. 인체나 차량 배기구, 냉각 핀 등 처럼 휘어져 있는 것. 특히, 세라믹 재료 기반의 무기 열전 소재는 열전 성능이 우수하지만, 깨지기 쉽고, 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 제한적 이었다.

연구팀이 이 문제를 해결했다. 나노 리본을 꼬아 실 형태의 열전 소재를 제작하는 방식으로 이 한계를 극복했다.

무기 나노 리본의 유연성에서 아이디어를 얻은 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 지닌다. 1천회 이상의 반복적인 구부림과 인장 테스트에도 전기적 특성 변화가 거의 나타나지 않았다.

연구팀이 만든 열전소자는 온도차를 이용해 전기를 만드는 소자로 섬유형 열전소자로 옷을 만들면 체온으로부터 전기가 만들어져서 다른 전자제품을 가동시킬 수도 있다.

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

왼쪽부터 KAIST 신소재공학과 정연식 교수, 장한휘 박사과정, 한국원자력연구원 정용록 박사, KAIST 기계공학과 박인규 교수.

정연식 교수는 "스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용될 수 있다"며 "극한의 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 향후 추가 연구를 통해 상용화될 가능성이 크다”고 말했다.

박인규 교수는 “이 기술이 차세대 에너지 수확 기술의 핵심이 될 것"이라며 "산업 현장의 폐열 활용부터 개인용 웨어러블 자가발전 기기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것"으로 기대했다.

연구 논문 공동 제1저자로 KAIST 신소재공학과 장한휘 연구원(박사과정)과 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사가 참여했다.

연구결과는 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 수행됐다.

KAIST_고분자 첨가제 없는 순수 무기물 섬유형 유연 열전소재 연구 개략도 및 실제 이미지.(그래픽=KAIST)

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)