‑ KAIST-POSTECH, 열역학적 화학 평형 조절을 통한 N형 이온성 열전갈바닉 소자 성능 한계 극복

- 스스로 산도 조절 가능한 젤 소재 개발로 고성능 N형 열전 소자 특성 구현

- 상온에서도 20분 이내에 99% 이상의 높은 자가 회복 성능 구현

‑ 체온을 이용한 웨어러블 소자 차세대 에너지 공급 플랫폼 핵심 기술로 기대

KAIST와 POSTECH 연구팀이 열전갈바닉 소자의 성능 한계를 극복하기 위해 열역학적 평형 조절이 가능한 젤 소재를 개발하고, 이를 통해 고성능의 N형 열전 소자 특성을 구현하는 데 성공했다.

▲(왼쪽)KAIST 생명화학공학과 문홍철 교수, POSTECH 화학공학과 박태호 교수

열 에너지를 전기로 전환시키는 열전 소자는 버려지는 폐열을 활용할 수 있어 지속 가능하고 친환경적인 에너지 플랫폼으로 주목받고 있다. 한국 연구진이 우수한 신축성과 최고 수준 성능을 보이는 열전소자를 개발하여 웨어러블 소자를 위한 체온을 이용한 차세대 에너지 공급원으로의 가능성을 한층 더 앞당겼다.

KAIST는 생명화학공학과 문홍철 교수팀이 POSTECH 화학공학과 박태호 교수팀과 공동연구를 통해 열역학적 평형 조절을 통한 기존 N형 열전갈바닉 소자*성능 한계 극복 기술을 구현했다고 14일 밝혔다. 

*열전갈바닉 소자: 생성되는 전자 흐름의 방향에 따라 N형과 P형으로 구분 가능 네거티브(negative)를 의미하는 N형은 전자가 저온에서 고온 쪽으로, 포지티브(positive)를 의미하는 P형은 고온에서 저온 쪽으로 전자가 이동

열전 소자의 성능을 최대한 끌어올리기 위해 P형과 N형 소자의 통합이 필수적이다. 최근 우수한 성능을 지닌 P형 열전 소자에 대한 연구는 많이 진행되었지만 N형 열전 소자는 상대적으로 연구가 부족했다. 그마저도 N형 열전 소자는 P형에 비해 성능이 떨어져 통합형 소자 구현 시 성능 밸런스가 맞지 않아 성능 극대화에 걸림돌이 되었다.

이번 연구에서 연구팀은 스스로 산도(pH) 조절이 가능한 젤 소재를 개발하여 이온을 주요 전하운반체로 사용한 이온성 열전 소자 중 한 종류인 열전갈바닉 소자를 구현하였다. 연구팀이 개발한 젤 소재를 활용하여 하이드로퀴논(열 에너지를 전기 에너지로 전환하는데 사용된 전기화학 반응물) 레독스 반응(산화-환원 반응)의 열역학적 평형을 효과적으로 제어할 수 있었고, 이를 통하여 고성능의 N형 열전 소자 특성을 구현하였다. 

또한 개발된 젤 소재는 가역적 가교 결합을 기반으로 약 1700%의 우수한 신축성과 함께, 상온에서도 20분 이내에 99% 이상의 높은 자가회복 성능을 구현할 수 있게 설계되었다. 

본 연구에서 개발된 N형 이온성 열전 소자는 4.29 mV K-1의 높은 열전력 (thermopower: 물질 내에서 온도 차이에 따라 유도되는 전압)을 달성하였으며, 1.05% 의 매우 높은 카르노 상대 효율(Carnot relative efficiency: 이상적인 카르노 기관의 효율 대비 열전갈바닉 소자의 실제 열전환 효율) 또한 나타내었다. 이러한 우수한 성능을 바탕으로 손목에 부착된 소자는 몸에서 지속적으로 유지되는 체온과 주변 환경의 온도 차이를 이용하여 효과적인 에너지 생산에 성공하였다. 

문홍철 교수는 “이번 연구 성과는 기존 N형 이온성 열전 시스템이 갖고 있던 한계를 극복할 수 있는 기술 개발에 해당한다”며 “이는 체온을 활용한 전원 시스템 실용화를 앞당기고, 웨어러블 소자 구동을 위한 핵심 요소 기술이 될 것이라 기대”한다고 밝혔다.

이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’ 2024년 11월7일 표지논문(Outside Front Cover)으로 발표되었다.

※ 논문명: Realizing a high-performance n-type thermogalvanic cell by tailoring thermodynamic equilibrium

한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 (나노커넥트) 및 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다.

▲열역학적 평형을 통한 열전 소자의 구동 메커니즘과 성능 특성

 고분자 내부의 자발적인 산도 조절을 통하여 하이드로퀴논의 열역학적 평형을 조절하였다. 이러한 열역학적 평형 반응은 차가운 전극 부근에서 산화 반응 그리고 뜨거운 전극 부근에서는 환원 반응을 유도하여 N형 열전 특성을 보였다. 이러한 열전 소자는 4.29 mV K-1의 thermopower를 그리고 1.05%의 Carnot relative efficiency을 보였다. 

▲하이드로 젤 기반 열전 소자의 신축 그리고 자가회복 특성과 손목의 열을 통한 전구 구동

하이드로 젤 기반의 열전 소자는 신축 그리고 자가회복 후 지속적인 에너지를 생산하여 전구를 구동시킬 수 있었다. 또한, 손목과 주변 환경 사이에 약 6 ℃의 온도 차이가 존재함을 확인하였으며, 이 온도 차이를 이용하여 전구와 같은 외부 전자 소자를 구동시킬 수 있었다.