[사이테크 플러스] "설탕 활용해 만든 스펀지형 유연소재로 열전소자 효율 23%↑"

[사이테크 플러스] "설탕 활용해 만든 스펀지형 유연소재로 열전소자 효율 23%↑"
KIST 김진상 박사 "열전도도 낮춰 발전성능 높여…웨어러블 기기 전원 활용 가능"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 자동차 엔진의 열이나 발전소 폐열 등을 이용해 전기를 생산하는 열전소자를 설탕을 이용해 만든 스펀지형 소재로 유연하게 제작하고 효율도 20% 이상 높이는 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 3일 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 열전소자를 유연하게 만들어 피부에 붙여 체온으로 전기를 생산할 수 있고 발전효율도 기존 소자보다 23% 높은 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 밝혔다.

열전소자는 자동차 엔진 열이나 발전소 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다. 하지만 열전소자는 보통 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기는 어렵다.
이 때문에 유연한 열전소자를 개발하는 연구가 진행되고 있으나 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 열전반도체 상단-하단 간 열 차단 성능이 떨어지기 때문에 발전 효율이 고체 기판의 상용 열전소자에는 못 미치는 한계가 있다.
연구팀은 이 연구에서 유연한 실리콘 화합물 소재인 PDMS를 각설탕을 이용해 공기 구멍이 많아 열 차단 성능이 뛰어난 스펀지 형태로 만들고, 이를 뼈대로 활용해 발전효율이 높은 유연 열전소자를 개발했다.
각설탕 위에 PDMS 화합물 액체를 부어 굳힌 후 물로 설탕을 녹여 없애면 각설탕 내부 빈틈에 스며든 PDMS만 남아 스펀지 형태 고분자 소재가 된다. 이 소재는 잘 구부러지고 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변해 열 차단 성능이 기존 PDMS 소재보다 50% 이상 높다.

연구팀이 스펀지형 PDMS를 지지제로 활용해 4㎝×6㎝×0.3㎝ 크기의 열전소자를 제작, 팔에 붙여 발전 실험을 한 결과 전력밀도가 12.1㎼/㎠로 발전효율이 기존 PDMS 소재 열전소자보다 23% 높은 것으로 나타났다.
이런 발전효율은 기존 상용화된 열전소자와 동일한 수준이다. 연구팀은 이 열전소자로 30분간 전기를 생산해 LED 32개로 만든 'KIST' 글자를 점등하는 데 성공했다.
김진상 박사는 "각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 높였다"며 "충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 등의 구동도 가능할 것"이라고 말했다.
이 연구 결과는 국제학술지 '나노 에너지'(Nano Energy 3월호)에 게재됐다.

scitech@yna.co.kr
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