태양광 흡수체로 새로운 열전소자 기술 개발

신일영 기자
입력 2017.10.01 00:00

태양광 흡수체로 새로운 열전소자 기술 개발

웨어러블 태양광-열전 발전기… 햇빛으로 전기 생산

옷이나 유리창, 건물 외벽 등에 부착해 전기를 만드는 ‘웨어러블 태양광-열전 발전기’가 개발됐다. 햇빛을 흡수해 뜨거워진 부분과 나머지 부분의 온도차를 이용하는 원리로, 온도차를 20.9℃까지 벌릴 수 있어 발전효율을 크게 높일 수 있다. UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 최경진 교수팀은 태양광과 열전 소재를 융합한 신개념 에너지 하베스팅 기술을 개발했다. ‘웨어러블 태양광-열전 발전기’가 그 것 이며, 이 발전기는 기존 웨어러블 열전 발전기에 광흡수 시스템을 도입했다. 자료 : 울산과학기술원

광 흡수시스템으로 온도차 문제 해결

유연한 기판에 광 흡수체 적층, 온도차 10배 확보

에너지 하베스팅 기술은 우리 주변에서 버려지는 열이나 빛, 압력 등을 이용해 전기를 만드는 다양한 분야를 아우르는 말이다. 이중 지열이나 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 이용해 전기를 생산하는 소자는 열전 발전기라고 부른다. 최근에는 체온과 대기의 온도차를 이용하는 웨어러블 열전 발전기 개발이 활발하다. 하지만, 둘 사이의 온도차는 1~4℃에 불과해 웨어러블 열전 발전기를 본격적으로 상용화하기 어려웠다.

최경진 교수팀은 온도차 문제를 ‘광 흡수시스템’으로 해결했다. 유연한 기판 가운데에 광 흡수체를 얇게 쌓아올려 햇빛을 흡수하고, 열원으로 활용할 수 있는 부분을 만든 것이다. 이렇게 생긴 온도차는 최대 20.9℃ 까지 커졌다. 이번 연구에서 온도차를 전기에너지로 바꾸는 열전 재료로는 비스무스 텔루라이트(Bi₂Te₃)가 쓰였다. 이 물질은 원래 딱딱한 막대모양의 반도체로 만들었는데, 웨어러블 열전 발전기로 활용하기 위해 잉크형태로 만드는 사례가 많아졌다.
최 교수팀도 비스무스 텔루라이트를 잉크형태로 바꿔 기판 위에 인쇄했다. 연구진은 폴리이미드로 만든 유연한 필름 가운데에 광 흡수체(Ti/MgF₂)를 얇게 쌓아올려 기판을 만들었다. 그런 다음 광 흡수체 좌우에 각각 5쌍의 p-n 열전레그(Thermoelectric leg)를 그렸다. 열전 레그는 온도차로 생긴 에너지 때문에 전류가 흐르게 되는 일종의 반도체다. 10쌍의 p-n 열전 레그로 구성된 웨어러블 태양광-열전 발전기는 햇빛에 노출됐을 때, 55.15mV의 개방 회로전압과 4.44μW의 출력 전력을 나타냈다.

웨어러블 전자기기 산업, 발전 촉매제 가능

최경진 교수(사진)는 “이번 연구로 개발한 태양광-열전 발전기술은 소형 웨어러블 전자기기의 자가 충전 기술로 응용 가능하다”며, “향후 웨어러블 전자기기 산업을 본격적으로 발전시키는 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다”고밝혔다.

이번에 개발한 웨어러블 광 열전소자는 옷이나 창문, 건물 외벽처럼 햇빛에 노출된 다양한 표면에 쉽게 장착가능하다. 이런 특징은 자체 구동식이나 착용식 전자기기에 다양하게 응용할 수 있어 앞으로 유용성이 클 전망이다. 이번 연구는 울산광역시·KIST·UNIST가 운영하는 ‘KIST-UNIST 울산 융합신소재 공동연구센터(KUUC)’의 지원으로 이뤄졌고, 연구 결과는 논문명(Wearable solar thermoelectric generator driven by unprecedentedly high temperature difference)으로 나노 에너지(Nano Energy, IF: 12.34) 9월 7일자 온라인판에 게재됐다.

[그림] 웨어러블 광열전 소자 제조 공정의 개략도

①유연 폴리이미드(PI) 기판 위에 초격자 광 흡수체(Ti/MgF₂)를 부분적으 증착한다. 이 물질은 가시광선을 흡수해 열로 바꿀 수 있다. ②광 흡수체를 포함한 폴리이미드 기판 위에 열전 잉크로 p-n 반도체를 그린다. ③~④완성된 웨어러블 광 열전 발전기를 일상적인 햇빛에 노출시킬 경우 광 흡수체와 나머지 부분의 온도차가 20.9℃까지 벌어진다. ⑤이때 출력은 최대 55.15mV까지 기록됐다.

용어설명

1. 비스무스 텔루라이트(Bi₂Te₃) : 상온에서 가장 높은 열전변환 계수(효율)를 가지고 있는 열전반도체 소재. 이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용됨.

2. 열전 레그(Thermoelectric leg) : 막대 형태의 양 끝에 온도차를 주면 기전력이 발생해 전류가 흐르는 현상을 갖는 N형, P형 반도체.

3. 다층박막 구조 : 두 가지 이상의 물질이 다층으로 증착된 구조.

4. 광 열전소자 : 광 흡수체, 집광 시스템 등의 광 흡수장치를 열전 발전기에 도입해 햇빛으로 작동하는 소자. 보통의 광열전소자는 집광렌즈, 진공 인클로저, 히트 싱크와 같은 3차원적 구조를 사용함.