인체의 '열'로 충전하고 '자가 복구'도 가능한 고효율 고기능 열전소재가 개발됐다.
UNIST(총장 이용훈)는 장성연 에너지화학공학과 교수팀이 전주원 국민대 응용화학부 교수팀과 공동으로 고효율 열전 변환과 자가복구 기능을 동시에 갖춘 '고성능 이온성 고분자 열전소재'를 개발했다고 6일 밝혔다.
'열전소재'는 열에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있다. '자가치유성 열전소재'는 분자 간 강한 인력이 작용해 찢어지거나 잘려도 이를 스스로 복구해 기계·전기적 성능을 유지하는 소재다. 하지만 이러한 열전소재는 기존 전지와 비교해 에너지 전환 효율이 낮다.
공동연구팀은 기존 연구에서 다루지 못했던 '이온성 열전소재'에 주목했다. 이온성 열전소재의 열·전기적 성능을 결정하는 변수를 정밀 분석하고 이를 최적화해 초고효율 열전 변환 성능에 우수한 기계적 성질, 자가복구 능력까지 지닌 '고성능 이온성 고분자 열전소재' 개발에 성공했다.
개발한 '고성능 이온성 고분자 열전소재'의 이온 열전 성능지수는 12.3으로 이전 최고 기록 대비 70% 이상 높다. 자가복구 능력과 물리적 성질도 우수해 원래 길이의 10배 이상까지 늘릴 수 있고, 50회 이상 반복 내구성 실험에도 성능 손실 없이 기계적·전기적 특성을 유지했다.
연구팀은 개발 소재를 열전 슈퍼커패시터(축전기) 소자에 적용하고, 이 소자들을 직렬 연결해 출력을 증폭한 모듈까지 제작했다.
제작한 모듈은 실생활 속 다양한 전자기기를 작동하는데 충분한 전압 출력(0.37V/K)을 나타냈다. 이는 체온과 실온이 10℃ 차이만 나면 기존 리튬이온 전지와 유사한 전압 출력(약 3.7V)을 낼 수 있음을 의미한다.
장성연 교수는 “기계적·전기적 특성을 고려한 소재 설계부터 모듈을 통한 상용화 실증까지 필요한 모든 과정을 제시했다”며 “소재 특유의 유연성과 주변 열에너지로 자가발전이 가능해 착용하는 전자기기에 적용할 수 있는 차세대 독립전원이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구성과는 네이처 커뮤니케이션즈 6월 5일자에 실렸고, 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 지원을 받았다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com