폐열로 전기 만든다…세계 최고 효율의 열전소자 개발

한국 포함 국제 연구진 네이처에 발표
열을 전기로 바꾸는 효율 세계 최고 수준

중국과학원(CAS)과 울산과학기술원(UNIST)이 참여한 국제 공동 연구진이 개발한 열전소자의 개념도. 가교제를 이용해 두 종류의 고분자 플라스틱(초록색·파란색)을 쌓아 효율을 높였다./네이처

버려지는 열로 전기를 만드는 열전(熱電)소자의 효율을 세계 최고 수준으로 높인 기술이 개발됐다. 유연한 유기물을 이용해 잘 휘어지는 웨어러블(wearable·착용형) 장치에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

디총안 중국과학원(CAS) 교수가 이끄는 국제 공동 연구진은 25일 국제 학술지 ‘네이처’에 세계 최고 수준의 열전효율을 내는 다중이종접합 플라스틱을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구에는 김봉수 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수도 참여했다.

열전소자는 온도 차이를 이용해 전기에너지를 만드는 장치이다. 냉장고나 에어컨이 전기에너지를 이용해 온도 차이를 만드는 것과 반대이다. 열전 소자는 전원 연결이 어려운 웨어러블 장치, 사물인터넷(IoT)의 에너지원으로 주목 받고 있다.

이번에 개발된 열전소자는 섭씨 95도 환경에서 열전효율이 1.28로 나타났다. 이전에 개발됐던 유기물 기반 열전소자의 효율은 1.1 수준이다. 생산 비용이 비싼 증착 공정 대신 저렴한 코팅 공정에 활용할 수 있는 만큼 열전 소자의 가격도 크게 낮출 수 있을 전망이다.

연구진은 유기물인 플라스틱을 이용해 고성능 열전소자 개발에 나섰다. 여러 종류의 플라스틱을 결합한 다중이종접합 플라스틱은 유연하면서도 생산 비용이 저렴해 최근 열전소자 소재로 주목받고 있다. 그러나 온도 차이를 전기에너지로 바꾸는 열전효율(ZT)을 높이기 어려워 상용화하지 못했다. 무기물 기반 열전소자는 높은 효율을 낼 수 있으나 유연성이 떨어져 활용 범위가 좁다는 한계가 있다.

연구진은 고분자 플라스틱 소재인 PDPPSe-12와 PBBTTT를 반복해서 쌓는 방식으로 열전소자를 개발했다. 플라스틱을 여러 층으로 쌓으면 서로 섞여 버리는 문제가 있었다. 빨간색 물감을 칠하고 바로 파란색을 덧칠하면 섞여 보라색으로 보이는 것과 비슷하다. 하지만 먼저 칠한 물감이 굳은 후 덧칠하면 다른 색을 쌓을 수 있다.

연구진은 플라스틱의 물성을 조절하는 가교제 ‘4Bx’를 개발해 열전소자 개발에 사용했다. 두 플라스틱이 완전히 섞이지 않고 접촉면에서만 섞이도록 해 열전 효율을 높였다. 온도 차이를 줄이는 열전도도는 낮추면서도 전기에너지를 만드는 전기전도도는 거의 감소하지 않게 했다.

김봉수 교수는 “이번 연구의 핵심은 가교제를 사용해 고분자 플라스틱을 쌓을 수 있게 했다는 것”이라며 “다중이종접합 플라스틱의 열전 효율을 최대로 낼 수 있는 조건도 찾았다”고 말했다.

연구진은 “고분자 기반 열전소자는 버려지는 열에너지를 이용해 친환경적이면서도 유연하다는 장점으로 활용 범위가 넓다”며 “이번에 개발한 기술을 활용하면 생산 비용도 크게 낮춰 차세대 열전소자의 기반이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

참고 자료

Nature(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07724-2

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