한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)을 비롯한 국내 연구진이 열전 소재 분야 난제였던 열전 소재 성능, 유연성 간 딜레마를 해결했다.
KAIST는 정연식 신소재공학과 교수와 박인규 기계공학과 교수팀이 오민욱 국립한밭대 교수, 정준호 한국기계연구원 박사팀과 '비스무트 텔루라이드 열전 섬유' 개발에 성공했다고 21일 밝혔다.
열전 소재는 온도 차이로 전압을 발생시켜 열을 전기에너지로 변환하는 소재다. 인체나 차량 배기구 등 우리 주변 열원은 대부분 곡면 형태여서 이에 대응할 수 있어야 한다.
다만 고성능의 세라믹 재료 기반 무기 열전 소재는 깨지기 쉬워 곡선형 제작이 어렵다. 고분자 바인더를 사용한 유연 열전 소재는 다양한 형상 표면에 적용할 수 있지만 낮은 전기전도성과 높은 열 저항으로 성능이 제한적이었다.
연구팀은 나노 리본을 꼬아 실 형태의 무기 열전 소재를 제작하는 방식으로 한계를 극복했다. 나노몰드 기반 전자빔 증착 기술로 나노 리본을 연속 증착한 후 이를 실 형태로 꼬아 비스무트 텔루라이드 무기 열전 섬유를 제작했다.
이는 기존 열전 소재보다 높은 굽힘 강도를 지니며 1000회 이상 반복적인 구부림, 인장 테스트에도 전기 특성 변화가 거의 나타나지 않았다.
섬유형 열전소자로 옷을 만들면 체온으로부터 전기가 만들어져 다른 전자제품을 가동시킬 수도 있다.
실제 구명조끼나 의류에 열전 섬유를 내장한 에너지 수집 시연으로 상용화 가능성을 입증했다. 산업 현장에서는 파이프 내부 뜨거운 유체와 외부 차가운 공기 사이 온도 차를 이용해 폐열을 재활용하는 고효율 에너지 수확 시스템 구축 가능성도 열었다.
정연식 교수는 “개발된 소재는 웨어러블 기기에서 활용될 수 있으며, 극한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 향후 추가 연구를 통해 상용화될 가능성이 크다”고 말했다.
박인규 교수는“산업 현장 폐열 활용부터 개인용 웨어러블 자가발전 기기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 강조했다.
장한휘 KAIST 신소재공학과 박사과정 학생과 안준성 고려대 세종캠퍼스 교수, 정용록 한국원자력연구원 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 어드밴스드 머티리얼즈 9월 17일자 온라인판에 게재됐으며, 후면표지논문으로 선정됐다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국연구재단 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업, 글로벌 생체융합 인터페이싱 소재 센터, 산업통상자원부와 한국산업기술평가원(KEIT) 지원 아래 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
