△ (왼쪽부터) KAIST 장한휘 박사과정, 고려대학교 세종캠퍼스 제어계측공학과 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사, 한국기계연구원 정준호 박사, 한밭대학교 오민욱 교수, KAIST 기계공학과 박인규 교수, KAIST 신소재공학과 정연식 교수.

고려대학교 세종캠퍼스(부총장 김영) 제어계측공학과 안준성 교수 연구팀이 한국과학기술원 신소재공학과 정연식 교수와 기계공학과 박인규 교수, 한밭대학교 오민욱 교수, 한국기계연구원 정준호 박사 연구팀과 협업을 통해, 차세대 유연 전자소자를 위한 혁신적인 에너지 수확 솔루션인 ‘비스무트 텔루라이드 (Bi2Te3) 열전 섬유’를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

 

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 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Flexible All-Inorganic Thermoelectric Yarns)

 

열전소재는 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 열전소재는 높은 열전 성능을 자랑하지만 깨지기 쉬워 곡선형 제작이 어려운 단점이 있다. 반면, 기존 고분자 바인더를 사용한 유연 열전소재는 다양한 형상의 표면에 적용 가능하지만 고분자의 낮은 전기전도성과 높은 열 저항으로 인해 성능이 제한적이었다.

 

연구팀은 나노 리본을 꼬아 실 형태의 열전소재를 제작하는 방식으로 이러한 한계를 극복했다. 무기 나노리본의 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 열전소재보다 높은 굽힘 강도를 지니며 1,000회 이상의 반복적인 구부림과 인장 테스트에도 전기적 특성 변화가 거의 나타나지 않았다. 기존 열전소재 분야의 오랜 난제였던 열전소재의 성능과 기계적 유연성 간의 딜레마를 획기적으로 해결한 것이다.

 

연구팀은 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.

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

이번 연구를 주도한 안준성 교수, 장한휘 박사과정, 정용록 박사는 이번 연구를 통해 전통적인 세라믹 열전소자의 취성 문제를 극복하고 고분자 바인더 없이도 고성능 유연 열전소자를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 이는 웨어러블 및 에너지 수확 장치 분야에서 혁신적인 도약이 될 것으로 기대된다.

 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업, 글로벌 생체융합 인터페이싱 소재 센터, 산업통상자원부와 한국산업기술평가원(KEIT)의 ‘자유형상 고집적 융복합센서를 위한 유연인장 하이브리드 센서 플랫폼 기술 개발’의 지원 아래 수행되었다.