GIST-고려대 연구진이 얼룩말 무늬에서 착안한 수평 방향의 발전(發電) 메커니즘을 생분해성 나노필름 소재에 적용, 구부러지고 늘어나는 섬유형 발전시스템을 개발했다고 24일 밝혔다.
필름 소재 표면의 검정색과 흰색 차이에 따라 색깔 차이에 따라 발생하는 온도 차로 전기를 발생시키는 ‘열전(熱電) 현상’을 이용한 것이다.
열전 현상은 온도(열에너지)의 차이로부터 전위차가 발생하여 전류가 흐르게 되는 현상. 소재 안과 밖에 온도차(열)가 생기면 전하가 흐르는 힘이 생기는데, 온도차가 크고 전하가 잘 흐를수록 열전발전이 잘 이루어진다. 수력발전에서 폭포 높이(낙차)가 높고 물이 많이 흐를수록 전력 생산량이 많은 원리와 흡사하다.
기존의 복잡한 열전소재와 달리 얼룩말 무늬와 같은 단순한 수평 구조를 적용해 유연성과 신축성이 필요한 다양한 환경에 활용될 것으로 기대된다.
또 24시간 쉬지 않고 전기를 생산할 수 있으며 생리식염수에서 녹아 없어지는 생분해성 소재를 사용, 차세대 친환경 에너지원으로 활용될 전망이다.
이번 연구 성과는 세계적인 학술지 사이언스(Science)의 자매지인 「사이언스 어드밴시스(Science Advances)」에 2023년 2월 1일자 온라인에 게재됐다.
당초 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.
실험한 결과 흰색 부분은 대기 온도보다 최대 약 8℃까지 낮아졌고 검은색 부분은 주변 대기 온도보다 최대 14℃까지 올라 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 평면에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 구부러지고 늘어나는 물리적 변형에도 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 혁신적인 시스템으로, 열전소재의 활용도를 획기적으로 높일 것으로 평가된다.
기존에는 열이 상부층에서 방출되고 하부층에서 흡수되는 복잡한 구조로 설계되어 비효율적이고 상용화가 어려웠다.
송영민 교수는 “그동안 구현하기 힘들었던 수평 방향의 온도 제어에 성공해 유연성과 신축성을 지닌 발전시스템을 제작했다는 데 의의가 있다”고 말했다.