- KAIST-한밭대-한국기계연구원, 곡면형 열원이나 비정형 표면에서 열을 효과적으로 수확가능한 실 형태(섬유형)의 유연 열전소재 제작 기술 최초 개발

- 체온을 이용해 전기를 생산하는 자가발전 소자, 스마트 의류, 웨어러블 센서 등 다양한 응용처에 활용 기대

KAIST 신소재공학과 정연식 교수와 기계공학과 박인규 교수 공동 연구팀이 국립한밭대학교 오민욱 교수, 한국기계연구원 정준호 박사 연구팀과 함께 차세대 유연 전자소자를 위한 ‘비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 열전 섬유’를 개발했다. 이 섬유는 높은 굽힘 강도와 1,000회 이상의 반복적인 구부림과 인장 테스트에도 전기적 특성 변화가 거의 나타나지 않아 극한의 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다.

▲(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 정연식 교수, 장한휘 박사과정, 한국원자력연구원 정용록 박사, KAIST 기계공학과 박인규 ~

스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용될 수 있으며, 극한의 환경에서도 안정적인 열 에너지 성능을 유지할 수 있는 열전 소재가 한국 연구진에 의해 개발되었다. 기존 열전 소재 분야의 오랜 난제였던 열전 소재의 성능과 기계적 유연성 간의 딜레마를 획기적으로 해결하였고 상용화 가능성을 입증하기도 했다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 정연식 교수와 기계공학과 박인규 교수 공동 연구팀이 국립한밭대학교(총장 오용준) 오민욱 교수, 한국기계연구원(원장 류석현) 정준호 박사 연구팀과 협업을 통해, 차세대 유연 전자소자를 위한 혁신적인 에너지 수확 솔루션인 ‘비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 열전 섬유’를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

▲고분자 첨가제 없는 순수 무기물 섬유형 유연 열전소재 연구 개략도 및 실제 이미지

열전 소재는 온도 차이가 있을 때 전압을 발생시켜 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소재로, 현재 약 70%의 에너지가 폐열로 사라지는 상황에서 이러한 폐열을 회수해 재활용할 수 있는 지속가능한 에너지 물질로 주목받고 있다. 

우리 주변의 열원은 인체, 차량 배기구, 냉각 핀 등 대부분 곡면 형태를 띠고 있다. 세라믹 재료 기반의 무기 열전 소재는 높은 열전 성능을 자랑하지만 깨지기 쉬워 곡선형 제작이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 기존 고분자 바인더를 사용한 유연 열전 소재는 다양한 형상의 표면에 적용할 수 있지만 고분자의 낮은 전기전도성과 높은 열 저항으로 인해 성능이 제한적이었다.

기존 유연 열전 소재는 고분자 첨가제가 들어가지만, 연구팀이 개발한 무기 열전 소재는 유연하지 않기 때문에 첨가제 대신 나노 리본을 꼬아 실 형태의 열전 소재를 제작하는 방식으로 이러한 한계를 극복했다. 무기 나노 리본의 유연성에서 아이디어를 착안한 연구팀은 나노몰드 기반 전자빔 증착 기술을 사용해 나노 리본을 연속적으로 증착한 후 이를 실 형태로 꼬아 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 무기 열전 섬유를 제작했다. 

이 무기 열전 섬유는 기존 열전 소재보다 높은 굽힘 강도를 지니며 1,000회 이상의 반복적인 구부림과 인장 테스트에도 전기적 특성 변화가 거의 나타나지 않았다. 연구팀이 만든 열전소자는 온도차를 이용해 전기를 만드는 소자로 섬유형 열전소자로 옷을 만들면 체온으로부터 전기가 만들어져서 다른 전자제품을 가동시킬 수도 있다. 

실제로 구명조끼나 의류에 열전 섬유를 내장해 에너지를 수집하는 시연을 통해 상용화 가능성을 입증했다. 또한 산업 현장에서는 파이프 내부의 뜨거운 유체와 외부의 차가운 공기 사이의 온도 차를 이용해 폐열을 재활용하는 고효율 에너지 수확 시스템을 구축할 가능성도 열었다.

정연식 교수는 "이번 연구에서 개발된 무기 유연 열전 소재는 스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용될 수 있으며, 극한의 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 향후 추가 연구를 통해 상용화될 가능성이 크다”고 말했다. 또한 박인규 교수는“이 기술은 차세대 에너지 수확 기술의 핵심이 될 것이며, 산업 현장의 폐열 활용부터 개인용 웨어러블 자가발전 기기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.”고 강조했다.

KAIST 신소재공학과 장한휘 박사과정 학생과 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’9월 17일 字 온라인판에 게재되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 후면표지(Back cover)논문으로 선정되었다. (논문명: Flexible All-Inorganic Thermoelectric Yarns)

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업, 글로벌 생체융합 인터페이싱 소재 센터, 산업통상자원부와 한국산업기술평가원(KEIT)의 지원 아래 수행됐다.