[그린포스트코리아 김동수 기자] 신축성은 물론 구겨지거나 찢어져도 금세 회복하는 고효율 열전소재가 개발됐다. 입고만 있어도 몸의 열을 전기에너지로 바꿔주는 옷을 만드는 길이 열려 향후 웨어러블 자가전원을 개발하는 데 있어 새로운 전기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 장성연 교수팀이 국민대학교 응용화학부 전주원 교수팀과 공동으로 자가 치유 능력과 신축성을 동시에 지닌 ‘이온성 고분자 열전소재’를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.

열전소재란 열에너지(온도 차)와 전기에너지를 상호변환할 수 있는 특성이 있는 소재다. 여기에 ‘자가 치유 능력’까지 담아 우수한 열전 변환 능력(온도 차를 전기에너지로 변환하는 능력)과 자가 치유 능력, 신축성을 동시에 갖는 물질을 합성하는 데 성공했다. 

스마트 워치나 가상현실(VR) 안경처럼 ‘웨어러블 기기’가 상용화되면서 몸에서 나는 열을 전기에너지로 바꿔 전원을 공급하는 열전발전에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

열전발전은 온도 차가 발생하면 자발적으로 전류가 흐르는 열전소재를 이용하는데, 높은 효율을 갖는 열전소재는 대부분 딱딱한 무기물질이다. 반면 유기물 기반 열전소재는 유연하고 신축성이 좋다는 장점이 있지만 열전 변환 효율은 높지 않다는 한계가 있었다.

공동연구팀은 ‘전도성 고분자’와 ‘전해질 고분자’를 이용해 높은 열전변환성능을 갖는 유기물 기반 열전소재를 개발했다. 개발된 열전소재는 전자(electron) 대신 이온(ion)이 움직여 전압이 발생하기 때문에 유기고분자임에도 열전 변환 효율이 높다는 게 연구팀의 설명이다. 또  매우 높은 신축성을 지녔으며 찢어짐과 같은 파손을 스스로 치료 할 수 있다.  

연구팀에 따르면 개발된 열전소재의 열전 성능 지수(ZT)는 1.04로 유기열전소재 중 가장 높다. 열전 성능 지수는 소재 내에서 발생한 온도 차이(온도구배)를 전기에너지로 변환하는 능력을 보여주는 지표인데 일반적인 유기열전소재의 열전 성능 지수는 0.3 이하다. 또 원래 길이의 7.5배까지 늘어날 수 있으며 반복적으로 늘려도 열전 성능을 유지했다.

개발된 열전소재를 이용하면 전기에너지를 생산하고 바로 저장할 수 있는 에너지소자 제조가 가능하다는 장점도 있다. 

장성연 교수는 “이번 연구로 높은 열전변환효율과 자가 치유 특성을 동시에 지니는 유기열전소재 최초 개발했다”며 “향후 웨어러블 자가전원을 개발하는 데 있어 새로운 전기를 마련하는 소재를 개발했다는 데 큰 의미가 있다”고 강조했다.

이번 연구는 ‘에너지 및 환경과학(Energy and Environmental Science)’에 지난달 15일 자로 온라인 게재됐다.

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