신축성과 고성능을 두루 갖춘 웨어러블 열전소자가 개발됐다.
열전소자는 열에너지를 전기로 전환, 버려지는 폐열을 활용할 수 있다는 점에서 친환경·지속가능한 에너지 플랫폼으로 주목받는다.
개발된 기술은 체온을 이용한 웨어러블 소자로, 차세대 에너지 공급 플랫폼 구현에 핵심 기술로 활용될 가능성이 점쳐진다.

KAIST는 생명화학공학과 문홍철 교수팀과 포스텍 화학공학과 박태호 교수팀이 열역학적 평형 조절로 기존 N형 열전 갈바닉 소자의 성능 한계를 극복할 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.

열전 갈바닉 소자는 전자 흐름의 방향에 따라 ‘N형’과 ‘P형’으로 구분할 수 있다.
네거티브(negative)를 의미하는 N형은 전자가 저온에서 고온으로, 포지티브(positive)를 의미하는 P형은 고온에서 저온으로 전자가 이동하는 것을 말한다.

열전소자의 성능을 최대로 끌어올리기 위해선 N형과 P형 소자의 통합이 필수다.
다만 그간에는 P형 열전소자에 관한 연구가 주로 진행되면서, N형 열전소자 연구는 상대적으로 부족했다.

그나마도 N형 열전 소자는 P형에 비해 성능이 떨어져 통합형 소자를 구현할 때 밸런스가 맞지 않아 성능을 극대화하는 데 걸림돌이 됐다.

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 스스로 산도(pH) 조절이 가능한 젤 소재를 개발해 이온을 주요 전하 운반체로 사용한 이온성 열전소자의 일종인 열전 갈바닉 소자를 구현했다.

또 개발한 젤 소재를 활용해 하이드로퀴논(열에너지를 전기에너지로 전환하는 데 사용된 전기화학 반응물) 레독스(산화-환원 반응) 반응의 열역학적 평형을 효과적으로 제어, 이를 통해 고성능의 N형 열전소자 특성을 이끌어내는 데 성공했다.

특히 공동연구팀이 개발한 젤 소재는 가역적 가교 결합을 기반으로 1700%의 우수한 신축성과 상온에서도 20분 이내에 99% 이상 자가 회복 성능을 구현할 수 있도록 설계됐다.

이를 반영한 N형 이온성 열전소자는 4.29 mV K-1의 높은 열전력(thermopower)을 달성하는 동시에 1.05%의 카르노 상대 효율(Carnot relative efficiency·이상적인 카르노 기관의 효율 대비 열전 갈바닉 소자의 실제 열 전환 효율)을 보였다고 공동연구팀은 강조했다.

최종적으로 손목에 부착된 소자는 몸에서 유지되는 체온과 주변 환경의 온도 차이를 이용해 효과적으로 에너지를 생산하는 데 성공했다.

문홍철 교수는 “이번 연구는 기존 N형 이온성 열전 시스템이 가졌던 한계를 극복할 기술을 개발했다는 데 의의가 있다”며 “이는 체온을 활용한 전원 시스템 실용화를 앞당기고, 웨어러블 소자 구동을 위한 핵심적인 요소 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.