KAIST, 신축성 뛰어난 '고성능 웨어러블 열전소자' 개발

POSTECH과 공동연구, N형 이온성 열전갈바닉 소자 한계 극복

체온 이용한 웨어러블 소자 에너지 공급원, 국제학술지에 게재

[대전=뉴시스] 하이드로 젤 기반 열전소자의 신축 및 자가회복 특성과 손목의 열을 통한 전구 구동 모식도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 우수한 신축성과 최고 수준의 성능을 갖는 열전소자를 개발해 웨어러블의 에너지 공급원으로 이용 가능성을 확보했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 문홍철 교수팀이 POSTECH 화학공학과 박태호 교수팀과 함께 열역학적 평형 조절을 통해 기존 N형 열전갈바닉 소자 성능의 한계를 극복할 수 있는 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.

열전갈바닉 소자는 생성되는 전자흐름의 방향에 따라 N형과 P형으로 구분된다. 네거티브(negative)를 의미하는 N형은 전자가 저온에서 고온 쪽으로, 포지티브(positive)를 의미하는 P형은 고온에서 저온 쪽으로 전자가 이동한다.

열전소자의 성능을 최대한 끌어 올리기 위해 P형과 N형 소자의 통합이 필수적이다. 최근 우수한 성능을 지닌 P형 열전 소자에 대한 연구는 많이 진행됐지만 N형 열전 소자는 상대적으로 연구가 부족하다.

이번 연구에서 공동 연구팀은 스스로 산도(pH) 조절이 가능한 젤 소재를 개발해 이온을 주요 전하운반체로 사용하는 이온성 열전소자 중 하나인 '열전갈바닉' 소자를 구현했다.

연구팀은 개발한 젤 소재를 활용, 열 에너지를 전기 에너지로 전환하는데 사용된 전기화학 반응물인 하이드로퀴논 레독스 반응의 열역학적 평형을 효과적으로 제어했고 이를 통해 고성능의 N형 열전소자 특성을 구현했다.

특히 이 젤 소재는 가역적 가교결합을 기반으로 기존보다 1700%의 우수한 신축성과 상온에서도 20분 이내에 99% 이상의 높은 자가회복 성능을 구현할 수 있다.

또 이번 연구에서 개발된 N형 이온성 열전소자는 높은 열전력과 매우 높은 카르노 상대 효율(실제 열전환 효율)을 갖고 있다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지인 'Energy & Environmental Science'에 11월 7일 표지논문(Outside Front Cover)으로 발표됐다.(논문명:Realizing a high-performance n-type thermogalvanic cell by tailoring thermodynamic equilibrium)
 
문홍철 교수는 "이번 성과는 기존 N형 이온성 열전 시스템이 갖고 있던 한계를 극복할 수 있는 기술"이라며 "이는 체온을 활용한 전원시스템 실용화를 앞당기고 웨어러블 소자 구동을 위한 핵심 기술이 될 것으로 본다"고 말했다.


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