열전발전 상용화를 앞당길 수 있는 열전소자 기술이 개발됐다.
한국전기연구원(이하 전기연)은 최혜경·윤민주 전기변환소재연구센터 연구팀이 '메타물질'을 활용해 신축성과 발전 효율성을 획기적으로 높인 '개스킷 열전발전소자'를 개발했다고 21일 밝혔다.
일반 물질은 가로 방향을 늘리면 세로 방향이 줄어든다. 고무공을 누르면 옆으로 납작하게 퍼지고, 고무줄을 당기면 가늘게 팽팽해진다. 메타물질은 가로 방향을 늘리면 세로 방향도 함께 늘어나는 인공 설계 물질이다.
연구팀은 메타물질 구조로 된 '개스킷(gasket, 가스나 물 등이 새지 않게 접촉면에 바르는 일종의 패킹 소재)'을 열전소자에 적용해 소자 신축성을 최대 35%까지 높이는 데 성공했다. 높은 신축성을 기반으로 열전소자 모듈을 크게 늘려도 전기적 특성 저하는 거의 발생하지 않았고, 전력생산 밀도 또한 20배 이상 높일 수 있다는 것을 확인했다.
'개스킷 열전소자'는 개스킷 소재 특성인 우수한 절연성을 동시에 갖춰 기존 유연 열전소자 대비 온도 차를 최대 30%까지 높일 수 있다.
기존 열전소자는 대부분 딱딱한 세라믹 기판으로 만들어 곡면에 적용하기 어려웠다. 이를 해결하고자 실리콘이나 고분자 등 유연 재료를 도입했지만 높은 전도율에 막혔다. 열전소자는 서로 다른 물질 간 온도 차이를 전기에너지로 바꾼다. 온도 차가 커야 발전 효율이 높다. 유연 재료는 전류가 잘 흘러 큰 온도 차를 유지하기 어렵다.
최혜경 연구원은 “전기연은 고성능 열전소재 개발 노하우뿐만 아니라 에너지 하베스팅 전용 모듈화 기술, 안정적인 자율전원장치 기술을 보유하고 있다”며 “이러한 노하우와 여러 기술을 융합해 원천 기술 개발에서 실증, 실생활 응용까지 가능한 성과를 거뒀다”고 말했다.
전기연은 '개스킷 열전소자'가 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI) 웨어러블기기, 차세대 의료 분야에서 크게 주목받을 것으로 예상했다. 별도 전원공급장치 없이 간단하게 몸에 부착해 체온으로 전기를 생산 활용할 수 있기 때문이다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 속표지논문으로 게재됐다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
