열에너지를 전기로 전환하는 열전 소자는 버려지는 폐열을 활용할 수 있어 지속 가능하고 친환경적인 에너지 플랫폼으로 주목받고 있다.

국내 연구진이 우수한 신축성과 최고 수준 성능을 보이는 열전 소자를 개발해 체온을 이용한 차세대 웨어러블 소자 가능성을 더 앞당겼다. 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 문홍철 교수팀이 포항공대(POSTECH) 화학공학과 박태호 교수팀과 열역학적 화학 평형 조절을 통한 기존 N형 열전 갈바닉 소자 성능 한계를 극복한 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.

열전 갈바닉 소자는 생성 전자 흐름의 방향에 따라 N형과 P형으로 구분된다. 네거티브(negative)를 의미하는 N형은 전자가 저온에서 고온 쪽으로, 포지티브(positive)를 의미하는 P형은 고온에서 저온 쪽으로 전자가 이동한다. 열전 소자 성능을 최대한 끌어올리기 위해서는 P형과 N형 소자의 통합이 필수적이다.

연구팀은 스스로 산도(pH)를 조절할 수 있는 젤 소재를 개발해 이온을 주요 전하 운반체로 사용한 이온성 열전 소자 중 한 종류인 열전 갈바닉 소자를 구현했다. 이 젤 소재는 가역적 가교 결합을 기반으로 약 1천700%의 우수한 신축성과 함께, 상온에서도 20분 이내에 99% 이상의 높은 자가 회복 성능을 구현할 수 있게 설계됐다.

연구팀은 P형 열전 소자보다 상대적으로 연구가 부족했던 N형 열전 소자에 대해 4.29 mV K-1의 높은 열전력(thermopower)을 달성했다. 이를 바탕으로 손목에 부착된 소자는 몸에서 지속해 유지되는 체온과 주변 환경 온도 차이를 이용해 효과적인 에너지 생산에 성공했다.

문 교수는 "체온을 활용한 전원 시스템 실용화를 앞당기고, 웨어러블 소자 구동을 위한 핵심 요소 기술이 될 것이라 기대한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지 환경과학(Energy & Environmental Science)' 지난 7일 표지논문으로 실렸다.