사람 체온을 전기로 바꿔 주는 '가성비 갑' 소재 개발

화학연, 새로운 유기 열전소재 만들어...3주 이상 노출되도 성능 유지

슬롯 다이 프린팅으로 열전소자를 제작하는 과정. 사진 제공=한국화학연구원.

[아시아경제 김봉수 기자] 사람의 체온을 전기로 바꿔 웨어러블 기기, 스마트 센서, 사물인터넷 등의 에너지로 활용할 수 있는 가볍고 유연하면서도 오래 성능이 유지되는 값싼 유기 열전 소재가 개발됐다.

한국화학연구원은 성능이 오래 지속되면서 가볍고 유연하며 인쇄 공정으로 저렴하게 제조할 수 있는 새로운 유기 열전소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

열전 소재는 열을 가했을 때 전기가 발생하는 소재, 또는 역으로 전기를 주입했을 때 열을 발생시키거나 냉각시켜주는 소재를 말한다. 특히 유기 열전 소재 중 대표적인 것이 ‘폴리티오펜’이라는 고분자 소재인데, 현재까지 개발된 것들은 일주일만 지나도 열전 성능이 80% 이상 떨어져 상용화되기 어렵다.

연구팀은 이를 개선해 공기 중에 3주 이상 노출돼도 열전 성능을 유지하는 새로운 폴리티오펜 활용 소재를 개발했다. 공기 중에서 장시간 성능이 지속되는 폴리티오펜 개발은 처음이다.

연구팀은 ‘폴리티오펜’ 소재 위에 소량의 염화금을 녹인 용액을 도포해 성능 저하 문제를 해결했다. 폴리티오펜 소재와 염화금이 만나면 화학반응이 일어나 염화금 이온과 금 나노입자가 생성되면서 독특한 고분자 결정 구조가 만들어진다. 이 결정 구조 속 염화금 이온은 열전 성능을 높여주고, 금 나노입자는 열전 성능이 오래 유지될 수 있게 도움을 준다. 연구팀은 가장 오래 성능이 지속될 수 있는 염화금 농도를 찾아 극소량만 도포해도 성능이 지속될 수 있도록 했다.

특히 신문을 인쇄하듯 찍어내는 프린팅 공정으로 상온에서 간단하고 저렴하게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 면적이 넓은 칼날이 붓처럼 소재를 바르는 방식의 ‘슬롯 다이 프린팅’으로 폴리티오펜 소재를 찍어낸 후, 그 위에 염화금 용액을 도포하는 형태다.

연구팀이 개발한 소재는 가볍고 유연하기 때문에 향후 웨어러블 기기, 스마트 센서, 사물인터넷 등에 적용할 수 있다. 차량이나 선박에 적용하면 폐열을 전기로 전환해 활용할 수도 있다. 글로벌 마켓 리서치 회사인 'IDTechEx'에 따르면 열전소자 전체 세계 시장규모는 2018년 2억 7400만 달러에서 2022년에는 7억 4600만 달러로 연평균 약 54% 성장하고 있다.

조성윤 박사는 “그동안 유기열전소재와 관련해 많은 연구가 이루어졌지만, 공기 중에서 성능이 안정적으로 지속되지 못했다는 한계가 있었다"면서 "전기전도성도 좋고 성능이 오래 지속돼 향후 다른 전극 소재로도 적용이 확장될 수 있다. 웨어러블 기기나 센서의 자가전원으로도 응용될 수 있기를 바란다"고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 '나노 에너지(Nano Energy)' 4월호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr