[더테크 뉴스] 지스트(광주과학기술원)와 고려대 연구진이 얼룩말 무늬에서 착안한 수평 방향의 발전 메커니즘을 생분해성 나노필름 소재에 적용해 구부러지고 늘어나는 섬유형 발전시스템을 개발했다.

필름 소재 표면의 색깔 차이(검정색-흰색)에 따라 발생하는 온도 차로 전기를 발생시키는 열전 현상을 이용한 것으로, 기존의 복잡한 열전소재와 달리 얼룩말 무늬와 같은 단순한 수평 구조를 적용해 유연성과 신축성이 필요한 다양한 환경에 활용될 것으로 기대된다. 

또한 24시간 쉬지 않고 전기를 생산할 수 있으며 생리식염수에서 녹아 없어지는 생분해성 소재를 사용해 차세대 친환경 에너지원으로 활용이 기대된다.

이번 연구 성과는 세계적인 학술지 사이언스 자매지 ‘사이언스 어드밴시스’ 2023년 2월 1일 온라인 게재됐다.

연구팀은 색깔 차이로 인해 평면에서도 가열(검정색)과 냉각(흰색) 영역이 뚜렷한 얼룩말 무늬에 착안했다. 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 유지됐다.

야외의 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 있었으며, 이 온도 차를 최대 약6µW/㎡의 전기에너지로 변환하는 데 성공했다.

이는 저전력 센서를 구동할 수 있는 수준으로 향후 생체 신호 측정 웨어러블, 산업현장의 고온 감지 센서 및 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서 등에 활용될 것으로 기대된다.

특히 사각형 모양 필름을 네 귀퉁이에서 잡아당겨 약 1.3배로 늘린 상태에서도 발전 성능이 유지돼 향후 다양한 환경에서 적용 가능할 것으로 주목된다.

평면에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 구부러지고 늘어나는 물리적 변형에도 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 혁신적인 시스템으로, 열전소재의 활용도를 크게 높일 것으로 기대된다. 기존에는 열이 상부층에서 방출되고 하부층에서 흡수되는 복잡한 구조로 설계돼 비효율적이고 상용화가 어려웠다.

송영민 교수는 “이번 연구는 유연한 전자소자를 구현하는 공학과 광학의 융합 연구의 성과로, 그동안 구현하기 힘들었던 수평 방향의 온도 제어에 성공해 유연성과 신축성을 지닌 발전시스템을 제작했다는 데 의의가 있다”고 말했다. 

지스트 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수와 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 황석원 교수가 지도하고 지스트 허세연 박사과정생, 고려대 한원배, 김동학 박사가 공동 수행한 이번 연구 결과는 한국연구재단 기초연구실후속연구사업, 나노소재기술개발사업, 미래유망 융합기술 파이오니아사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.