사람의 체온과 주변 공기의 온도 차이만으로 전기를 만들 수 있는 초고성능 필름 발전기가 개발됐다. 단 1.5℃의 미세한 온도 차이로도 LED를 켤 수 있어, 향후 배터리 없는 웨어러블 기기 시대를 열 것으로 기대된다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장성연 교수 연구팀은 세계 최고 성능의 이온 열전소재를 개발했다고 13일 밝혔다. 열전 성능지수(ZTi)가 p형 49.5, n형 32.2로 기존 최고 기록보다 70% 향상됐다.
이번에 개발된 소재는 온도 차이가 생기면 이온이 차가운 쪽으로 이동하면서 전기를 만드는 원리를 활용했다. p형 소재에서는 양이온인 수소 이온이, n형 소재에서는 음이온인 염화 이온이 움직인다.
핵심은 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 기반으로 한 소재 설계다. 연구팀은 이온 농도와 확산 계수의 최적 균형점을 찾아 발전 효율을 극대화했다. 이온이 너무 많으면 오히려 흐름이 방해받는 문제를 해결한 것이다.
실제 p형과 n형 소재 10쌍을 연결한 필름 모듈은 1℃ 온도 차이당 1.03V의 전압을 생성했다. 실내에서 2개월 이상 95% 이상의 성능을 유지하는 안정성도 확인됐다.
이 기술의 최대 장점은 유연성과 경량성이다. 얇은 필름 형태로 제작 가능해 피부나 곡면에 쉽게 부착할 수 있다. 스마트워치, 피트니스 트래커 같은 웨어러블 기기에 적용하면 체온만으로 구동이 가능하다.
김동후 연구원은 “그동안 이온 열전소재는 체계적 설계 지침이 부족했다”며 “이번 연구로 보편적 설계 원리를 제시했다”고 설명했다.
장성연 교수는 “내외부 온도 차이가 수도에서 수십도에 불과한 환경에서도 작동하는 자가발전 센서 개발이 가능할 것”이라고 전망했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials))’ 10월 4일 자 온라인판에 게재됐다. 과학기술정보통신부 한국연구재단과 이노코어 사업의 지원을 받았다.
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