 다양한 형태의 에너지 하베스트 기술 압전·열전·물방울로 발전…다양한 IoT 디바이스 전원 기대 신체를 움직이는 것만으로도 우리는 에너지를 생산하고 소비한다. 압전, 열전을 비롯해 작은 물방울로도 전기를 수확하는 기술이 연구되고 있다. 최근 울산과학기술원(UNIST)에서는 열전을 이용해 기존 소재 대비 10배 이상 전기가 잘 통하는 필름 형태의 고분자 열전소재를 개발했다. 대구경북과학기술원(DGIST)은 초박막 고효율 압전 소자를, 포항공과대학(POSTECH)은 메타물질로 압전 에너지의 수확 효율 높이는 방법을 제시했다. 에너지하베스팅의 효율을 높인 새로운 연구 성과를 소개한다.
정리 최종숙 기자 자료 울산과학기술원(UNIST), 대구경북과학기술원(DGIST), 포항공과대학교(POSTECH)
철강·석유화학 산업 등의 발전으로 공장은 1년 365일 가동되고 있다. 다양한 공정 과정에서 많은 양의 열이 발생하게 되는데 이는 버려지는 열, 즉 ‘폐열’이 발생한다. 이러한 폐열을 활용할 수 있는 재생에너지 개발이 활발하다. 특히, 열에너지를 전기로 바꿀 수 있는 열전효과1)를 이용한 열전발전기술은 차세대 친환경 에너지 기술 중 하나로써 주목받고 있는 분야다.
필름 형태 고분자 열전소재 개발 UNIST 화학과 김봉수 교수와 아주대 김종현 교수 공동 연구팀은 고분자 열전소재의 분자량을 늘리는 방법으로 전기전도도를 획기적으로 개선한 열전소재 필름을 만들었다고 6월 13일에 밝혔다.2) 열전소재는 소재 안과 밖에 온도 차(열)가 생기면 전하가 흐르는 힘이 생기는데, 온도 차가 크고 전하가 잘 흐를수록 열전발전이 잘된다. 수력발전에서 낙차가 크고 물이 많이 흐를수록 생산 전력량이 많은 원리와 흡사하다. 기존 고분자 열전소재는 온도 차는 크게 유지할 수 있지만 전하가 잘 흐르지 않아 상용화가 쉽지 않았다.
UNIST 공동 연구팀은 기존의 필름 형태의 열전소재가 첨가제(도핑제) 때문에 필름의 결정성이 떨어지는 문제점을 분자량을 늘리는 방법으로 해결했다. 결정성은 고분자 사슬들이 규칙적으로 배열된 성질로, 결정성이 높은 고분자 필름은 전하가 잘 통한다. 첨가제는 고분자 사슬 사이로 침투해 결정성을 떨어뜨리는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 벤조티아디아졸과 디티에노실롤 기반의 도너-억셉터 공액고분자3)인 PDFD-T의 분자량을 조절함으로써 열전 성능에 대한 고분자의 영향에 주목했다. 그 과정에서 고분자의 분자량이 높을수록 도펀트에 의한 도핑이 잘 되고, 고분자 사슬 내에 폴라론이 잘 형성되며, 도핑 후 고분자 결정의 감소가 최소화될 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 현상은 도핑된 고분자의 전하 농도와 전하이동에도 영향을 주게 돼, 분자량이 작은 고분자 열전소재의 경우 39.5 S/㎝-1의 전기전도도를 보였다. 반면 분자량이 큰 열전소재는 402.9 S/㎝-1의 전기전도도를 기록했다. 그 결과 분자량이 가장 큰 PDFD-T 고분자는 최고 101 μW·m-1·K-2의 파워 팩터를 보였는데, 이는 이제껏 발표된 고분자 열전소재 중에서도 상당히 높은 성능이다. 반면 분자량의 작은 열전소재는 42.6 μW·m-1·K-2의 파워팩터를 기록했다. 이제까지는 고분자 열전소재의 성능 향상을 위해 새로운 고분자나 도펀트를 개발하는 연구 위주였던 반면에, 이번 연구에서는 고분자의 분자량에 따른 열전성능에 대한 심도 있는 분석을 함으로써 고성능의 고분자 열전소재를 보고했다.
이번 연구 성과는 고분자의 도핑 효율과 전기전도성, 그리고 열전 성능의 최적화를 위해서는 고분자의 분자량이 중요하다는 점을 밝혀낸 의의가 있다. 연구에 사용된 PDFD-T 고분자는 분자량에 따라 다른 열전 성능을 보였고, 해당 고분자의 유기 열전 소재로서의 활용 가능성을 제시했다. 또한 고분자의 분자량을 조절함으로써 열전 소자의 파워 팩터 향상에 대한 가능성을 보여줬다고 할 수 있다.
일상 움직임으로 만드는 전기 또 한편, 진동이나 소리 형태로 존재하는 파동 역시 일상에 흔한 에너지 형태다. 이 에너지를 모아 전기 에너지로 바꾸는 ‘압전 에너지 수확’ 기술도 활발히 연구되고 있다. 이 가운데에는 인간의 움직임을 이용해 전기 에너지를 만드는 압전 발전소자가 있다. 문제는 이런 압전 소자들이 작은 움직임에 효율적으로 반응하거나 변형되기가 어렵다. 특히 피부에 부착할 경우 에너지 전환 효율이 크게 떨어지는 문제가 있다.
DGIST 화학물리학과 이성원 교수 연구팀은 생체 친화적 물질을 사용해 소자 두께를 최소화한 초박막 고효율 압전 소자 개발했다고 지난 5월 10일에 밝혔다. 최근 진동과 압력, 외부 충격 등을 가해 전기에너지로 변환하는 원리의 발전 방식인 압전 에너지 발전은 친환경 에너지인 물리적 움직임에서 전기를 얻을 수 있다는 장점이 있어 주목받고 있다. 그러나 현재 제작되고 있는 압전 에너지 발전소자는 성능의 극대화를 위해 몸에 유해한 물질인 PZT 등을 사용하고 있기에 적용하기 위해서는 보호막을 이용해야 한다. 이에 따라 소자의 총 두께를 증가하게 된다. 소자가 두꺼우면 작은 인체의 움직임에 의해 변형되기 어려우며, 피부에서 분리되는 등 효율적인 에너지 수확이 불가능하다.
이에 DGIST 이성원 교수팀은 약 4 ㎛의 초박막 형태로 압전 발전소자를 제작했다. 이 소자는 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않으면서 높은 에너지효율로 전기를 수확하는 기술이다.4) 이 발전소자는 접히거나 곡선의 표면에서도 일정한 성능을 보이며, 약 10,000번 이상의 변형에도 안정적으로 전력을 생산했다. 또한, 생체에 친화적인 압전 고분자 물질인 P(VDF-TrFE-CFE)5)를 사용했으며, 에너지 전환 효율(Energy conversion efficiency)은 세계 최고 수준인 18.85 %를 보였다. 연구진은 개발한 압전소자를 활용해 작은 움직임에서 LED 램프를 성공적으로 켤 수 있었다고 전했다.
이렇게 개발된 압전 소자는 인체에서 움직임이 발생하는 어느 곳이든 부착해 에너지를 얻을 수 있다. 작은 움직임을 대상으로 하고 있어 발전량이 크지는 않지만, 부착된 인체 부위 및 움직임마다 발전 패턴이 달라 모션센서로도 활용할 수 있다.
파동 에너지를 모으는 기술 한편, POSTECH에서도 지난 5월 11일 압전을 이용한 연구를 발표했다. 기계·화학공학과 노준석 교수가 연구팀은 압전 에너지로 얻을 수 있는 전기의 양이 적어 실생활에 적용하기 어렵다는 한계에 주목하고 효율이 높은 전기 에너지를 얻기 위해 파동 에너지를 구조물의 특정 부분에 모을 방법을 연구했다.6)
연구팀은 메타물질(metamaterial)과 음향양자결정(phononic crystal)을 이용해 이를 실현할 방법을 비교하고 정리했다. 두 물질은 인공적으로 설계된 단위 원자가 주기적으로 배열됨으로써 자연계에 존재하지 않던 기이한 특성을 보이는 물질이다. 물질이 가지는 주기성과 외부에서 가해지는 파장을 적절히 조절하면 파동 에너지를 한곳에 모을 수 있다.
물방울이 지닌 전기 에너지 이외에도 물방울을 이용한 에너지하베스팅 기술이 있다. 지금까지 물을 이용한 전기 에너지의 생산에는 강과 바다처럼 대량의 물이 필요했다. POSTECH는 6월 13일 이슬과 같이 적은 양의 물방울로도 전기 에너지를 만들 방법을 찾았다고 발표했다. ‘물방울 기반 발전기’(Droplet-based electricity generator, DEG)는 자연에서 볼 수 있는 물의 순환으로부터 효율이 높은 에너지를 얻는다는 것이 특징이다. 특히, 우리 주변에 흔히 보이는 빗방울과 강수, 안개, 이슬 등 마이크로리터(μL, 1 μL=100만분의 1리터) 단위의 물로 발전기를 가동할 수만 있다면 적용 분야는 확연히 넓어질 것이다. 이에 POSTECH의 기계공학과 김동성 교수와 유동현 박사 연구팀은 연잎을 모사해 DEG를 개발했다.7)
연구팀은 표면이 물에 젖지 않는 연잎에 주목했다. 미세한 돌기로 덮여 있는 연잎은 물이 스며들지 않고 동그랗게 뭉쳐 미끄러진다. 그래서 몇 μL에 불과한 물방울까지도 흡수하지 않고 튕겨낸다. 이때 빠르게 튕겨내는 에너지를 이용하면 전기를 만들어낼 수 있다. 물방울이 표면에 붙은 오염물질을 닦아내 깨끗함 또한 유지할 수 있다.
이전까지 보고된 물방울 기반 발전기에서는 표면 젖으면서 최소한 수십 μL 수준이 되어야 에너지 수확이 가능했다. 하지만 연구팀에서 연잎의 표면구조를 물방울 기반 발전기에 적용하자, 실제 빗방울의 크기 수준에 해당하는 부피 6 μL에도 성공적으로 작동했다. 에너지 수확 효율도 13.7 %에 달해, 이전 연구의 최대 11 % 효율에 비해 상당히 향상된 결과를 보여준 것이다. 해당 발전기는 강수 환경에서도 성공적으로 작동했다. 연잎의 특징인 자가 세정 효과 덕분에 오염에 노출되기 쉬운 실외 환경에서도 충분히 작동할 수 있음을 확인했다.
1) 열전효과(Thermoelectric effect)는 두 접점의 온도 차로 인해 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 현상이다. 제백 효과(Seebeck Effect)라고도 불린다.
2) 이 연구는 <어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈>(Advanced Functional Materials) 온라인 판에 5월 25일자로 출판됐다. 논문 제목은 “Impact of molecular weight on molecular doping efficiency of conjugated polymers and resulting thermoelectric performances”이며, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
3) 도너-억셉터형 고분자(Donor-Acceptor Type Polymer) : 전자가 풍부한 도너(Donor) 구조와 전자가 부족한 억셉터(Acceptor) 구조로 구성되어있는 고분자이다.
4) 이 연구는 선도연구센터의 지원을 받아 진행됐으며, <나노 에너지>(Nano Energy)에 4월 5일자에 온라인에 게재됐다. 논문 제목은 “Multi-deformable piezoelectric energy nano-generator with high conversionefficiency for subtle body movements”이다.
5) Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)
6) 이 연구의 결과는 물리 분야의 학술지인 <커뮤니케이션즈 피직스>(Communications Physics)에 지난 5월에 게재됐다. 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, RLRC지역혁신선도연구센터, 해양수산부 선박해양플랜트연구소(KRISO) 기관목적사업, 교육부 글로벌박사 펠로십, 현대차 정몽구 재단 및 포스코산학연 융합연구소의 지원을 받아 이뤄졌다.
7) 해당 연구는 지난 5월에 국제 학술지 <나노 에너지>(Nano Energy) 게재됐다. 한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 세종과학펠로우십사업,우수신진연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
<Energy News>
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