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최대 22도 온도차 나는 열전현상 이용…'사이언스 어드밴시스' 게재


광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 황석원 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수팀과 공동으로 구부러지고 늘어나는 섬유형 발전시스템을 개발했다고 15일 밝혔다. 연구팀은 필름 소재 표면 검정색과 흰색 색깔 차이에 따라 발생하는 온도 차로 전기를 발생시키는 열전 현상을 이용했다. 색깔 차이로 인해 평면에서도 가열(검정색)과 냉각(흰색) 영역이 뚜렷한 얼룩말 무늬에 착안해 얼룩말 무늬를 생분해성 나노섬유 필름 위에 입히고 광학 계산을 통해 가장 효율적으로 열을 흡수·방출하는 구조를 설계했다. 스펙트럼 분석 결과 가열과 냉각 영역 모두 24시간 동안 지속적인 온도 차가 유지되는 것으로 나타났다.


<A. 24시간 발전 가능한 생분해성 유연/신축 온도 제어 시스템의 개략도. B. 얼룩말 무늬로 패턴된 필름의 열 적외선 사진. C. 개발된 시스템의 필름의 벤딩 및 신축에 대한 높은 변형도. D. 발전시스템의 주요 구성 성분에 대한 생리식염수 내에서의 생분해성 관찰.>



<A. 생분해성 유연/신축 발전 시스템의 전개도. B. 제작된 발전 시스템 사진과 (왼쪽) n 타입 및 p 타입의 실리콘 나노막으로 구성된 열전 소자의 확대 사진 (오른쪽). C. 복사 냉각 고분자와 복사 가열 소재의 광학 분석 결과. D. 복사 가열 소재에 따른 얼룩말 패턴의 밤낮 온도 차 형성 결과. E. 외부 환경에서의 실시간 발전 성능 측정. 위는 태양 일조량을, 중간은 형성된 온도 차를, 아래는 온도 차가 전기에너지로 변환된 전력량을 나타냄.>


야외 다양한 날씨 환경 조건에서 실험한 결과 흰색 부분은 대기 온도보다 최대 약 8℃까지 낮아졌고 검은색 부분은 주변 대기 온도보다 최대 14℃까지 상승해 최대 22도의 온도 차를 얻을 수 있었다. 이 온도 차를 최대 약6W/㎡의 전기에너지로 변환하는 데 성공했다. 연구팀은 저전력 센서를 구동할 수 있는 수준으로 △생체 신호 측정 웨어러블 △산업현장 고온 감지센서 △배터리 없는 자율주행용 거리 감지센서 등으로 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 사각형 모양 필름을 네 귀퉁이에서 잡아당겨 약 1.3배로 늘린 상태에서도 발전 성능이 유지돼 다양한 환경에서 적용 가능할 것으로 보고 있다. 송영민 교수는 “종전에는 열이 상부층에서 방출되고 하부층에서 흡수되는 복잡한 구조로 설계돼 비효율적이고 상용화가 어려웠다”며 “평면에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 구부러지고 늘어나는 물리적 변형에도 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 혁신 시스템으로 열전소재 활용도를 획기적으로 높일 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실후속연구사업, 나노소재기술개발사업, 미래유망 융합기술 파이오니아사업, 미래소재디스커버리사업 지원으로 이뤄졌다. 세계적인 학술지 사이언스 자매지인 '사이언스 어드밴시스' 온라인에 게재됐다.


<왼쪽부터 송영민 GIST 교수, 황석원 고려대 교수, 허세연 GIST 박사과정생.>


etnews 김한식 기자

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