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《신기술 1》 초고효율 자가 치유성 열전소재로 착용 기술개발
2023년 8월 13일 (일) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2023년 8월호 - 전체 보기 )

초고효율 자가 치유성 열전소재로 착용 기술개발 
열에너지 변환 성능 70 % 이상 향상
블루투스 이어폰, 스마트 워치와 같이 인체에 착용하는 전자기기들을 주변에서 흔히 볼 수 있는 시대가 됐다. 대부분 전자기기는 액체 전해질이 적용된 리튬 이온 전지를 사용하는데, 이러한 액체가 포함된 전지는 누액 등의 이유로 기기 설계가 제한되고, 외부 전원을 통한 충전에 의존해 한계가 명확하다. 이에 반해 이온성 고분자 열전소재는 소재 특유의 유연성과 주변의 열에너지로 자가발전이 가능해 차세대 독립전원으로서 높은 기대를 받고 있다.

정리 편집부 
자료 UNIST
메인 이미지 출처 hard님의 블로그 / 일상기록 블로그
사람의 피부처럼 스스로 회복되고 늘어나면서도 초고효율 열전성능을 지닌 소재가 개발됐다.열전소재는 열에너지를 전기로 바꾸는 친환경에너지 소재다. UNIST·국민대 공  동 연구팀은 열전소재 분자 간의 강한 인력을 통해 찢어지거나 잘려도 이를 복구시킴으로써 기계적 성질과 전기적 성능을 유지하는 ‘자가치유성 열전소재’를 활용했다. 또한, 기존 연구에서 다루지 못했던 이온성 열전소재의 열전기적 성능을 결정하는 변수들을 정밀 분석하고 최적화했다. 이를 바탕으로 초고효율 열전 변환 성능과 우수한 기계적 성질 및 자가 치유 능력을 갖춘 소재를 개발했다. 배터리 걱정 없이 인체의 ‘열’만으로 충전이 가능해, 착용 기술(Wearable technology)의 상용화에 한 발짝 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST 에너지화학공학과 장성연 교수팀은 국민대학교(총장 임홍재) 응용화학부 전주원 교수팀과 공동으로 기계적·전기적 오류와 문제에 대한 자가 치유 능력을 지닌 ‘고성능 이온성 고분자 열전소재’를 개발했다. 하지만 열전소재는 기존의 리튬 이온 전지와 비교해 열에너지의 변환 성능이 낮아 상용화를 위해선 많은 개선이 필요하다. 또한, 아직까지 성능 개선을 위한 체계적인 과학적 분석조차 부족한 상황이다.

연구팀은 세계 최초로 소재 내부의 이온 열전효과를 열역학적으로 분석해 열에너지 변환 성능을 최적화했다. 이렇게 개발된 소재의 이온 열전 성능지수는 12.3으로 이전 최고기록보다 70 % 이상 높은 성능을 기록했다. 자가 치유 능력과 함께 물리적 성질도 우수해 원래 길이의 10배 이상까지 늘일 수 있고 50회 이상 반복된 내구성 실험에서도 성능 손실 없이 기계적·전기적 특성을 유지했다.
연구팀과의 Q&A 
연구의 동기와 배경
열전소자는 열에너지를 전기에너지로 전환하는 에너지 하베스팅 장치로, 일반적인 열 엔진과 다르게 추가 부품의 불필요성, 무공해, 가벼움, 단순한 공정 등의 장점이 있어 학계와 산업계로부터 많은 기대를 받고 있다. 그중에서도, 기존에 많이 연구된 수십 μV/K 정도의 낮은 전압 출력을 가진
전자 열전 소자1) 대비 수백 배 이상 높은 수십 mV/K의 높은 전압 출력을 생성하는 이온 열전 소자2)가 최근 밝혀져 많은 연구가 되고 있다.

이온 열전 소자는 인체의 열을 이용해 전력을 생산할 수 있다는 유일무이한 장점 때문에 향후 스마트 의복과 같은 착용하는 전자기기를 작동시키는 소자로서 높은 잠재력을 인정받고 있다. 그러나 이를 위해서는 높은 열에너지 변환 효율과 우수한 신축성 및 인장 강도, 그리고 신체의 움직임에 의한 반복된 변형과 파괴에 대항할 자가 치유 능력 세 가지 목표가 반드시 충족되어야 한다.

선행연구와의 차별성
본 연구팀은 ‘전도성 고분자3)’, ‘고분자 산4)’, 그리고 물리적 ‘가교제5)’를 복합하여 자가 치유 능력과 신축성을 가진 소재를 합성하고, 열전 소재의 전기적 특성을 결정하는 열역학적 변수들을 분석, 최적화된 화학적 조성을 찾아 자가 치유 능력을 지니면서도 가장 높은 열에너지 변환 효율을 경신한 이온성 고분자 열전소재를 개발했다.

그 결과 이 이온성 고분자 열전소재는 21.9 mV K-1의 매우 높은 지벡 계수 값과 이온 열전 성능지수(figure of merit, ZTi)6) 12.3을 달성할 수 있었다. 이는 자가 치유성과 신축성이 없는 소재를 포함, 현재까지 보고된 이온 열전 소재의 ZTi 값 중 가장 높은 기록이다.

또한, 전도성 고분자와 고분자 산이 물리적 가교제인 피트산(phytic acid)과 가역적 상호작용7)을 형성하여 매우 우수한 신축성과 자가 치유 능력을 갖는다. 개발된 이온 열전소재의 경우, 외력 없이도 1분 만에 자가 치유되는 능력과 함께 1000% 이상의 최대 변형도 (maximum strain), 450 kPa의 최대 응력 (maximum stress), 350 MJ m-3의 인성 (toughness) 에 이르는 우수한 물리적 특성을 나타내었다. 그뿐만 아니라, 각각 30회, 50회 동안 반복된 절단과 늘림에도 우수한 기계적, 전기적 특성을 유지하였다.

개발된 열전소재를 이용해 이온 열전 슈퍼커패시터8)를 제조해 충·방전 동작을 시연하여 소재의 에너지 저장능력을 입증하고, 이를 여러 개 직렬 연결하여 전압을 증폭시킨 이온 열전 슈퍼커패시터 모듈을 제조했다. 이 모듈은 0.37 V/K 라는 매우 높은 전압 출력을 보임과 동시에 단일 슈퍼커패시터와 마찬가지로 충·방전이 가능하였고, 결국 인체의 열만으로 일상 속 전자기기를 작동시키는 전압 출력 구현이 가능함을 증명하였다.

기대효과
본 연구에서 개발된 이온성 고분자 열전소재는 향후 체온으로 작동하는 착용하는 전자기기의 전원 장치로서 요구되는 모든 전기적, 물리적 특성에 획기적인 개선을 이끌어낸 소재이다. 따라서 향후 배터리 걱정 없는 착용하는 전자기기의 상용화를 앞당기는데 큰 기여가 있을 것으로 기대된다. 제1 저자인 김동후 에너지화학공학과 연구원은 “소재 내부에서 열확산 되는 이온이 가진 에너지 변화를 극대화해 최고성능을 경신할 수 있었다”며 “자가 치유성과 신축성이 우수해 향후 착용하는 전자기기를 위한 자가발전에 적용될 수 있을 것이다”라고 기대했다.

연구팀은 개발된 소재를 이용해 이온 열전 슈퍼커패시터(축전기) 소자를 제조하고 여러 소자들을 직렬 연결해 출력을 증폭시킨 모듈까지 제조했다. 제작된 모듈은 매우 높은 전압 출력(0.37V/K)을 보여 개발된 열전소재가 실생활 속 여러 전자기기를 작동시키는 데 충분한 전압을 만들어 낸다는 것을 입증했다. 이는 체온이 실온과 10도의 온도 차이만 낼 수 있다면 기존 리튬이온 전지와 유사한 전압 출력(약 3.7V)을 낼 수 있음을 의미한다.

장성연 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구는 기계적, 전기적 특성을 고려한 소재의 설계부터 모듈을 통한 상용화 실증까지 필요한 모든 과정을 제시했다”며 “향후 이온성 열전소재를 개발하는 많은 연구자들에게 길잡이가 되어줄 중요한 연구이다”고 강조했다.
이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 5일자로 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.1)



1) 논문명: <Self-healable polymer complex with a giant ionic thermoelectric effect>

용어설명
전자 열전소자(Electronic thermoelectrics) : 전자 (Electron) 혹은 정공 (Hole)가 지벡 효과 (온도 구배에 의해 전하 이동자가 한쪽으로 이동해 기전력(전압)을 만드는 효과)를 형성하는 소자이다. 
이온 열전소자(Ionic thermoelectrics) : 전해질 내 양이온 (Cation) 혹은 음이온 (Anion)을 지벡 효과에 의해 이동시켜 기전력을 만드는 소자이다. 
전도성 고분자(Conducting polymer) : 유기 화합물(탄소 화합물)에서 이중결합과 삼중결합, 혹은 이중결합과 단일결합, 단일결합과 삼중결합이 번갈아가며 나타나는 고분자. 일반 고분자와 달리 광전자 소재 등으로 사용할 수 있다.
고분자 산(Polyacid) : 주 사슬 (Main chain)에 황산기와 같은 작용기가 붙어있어 이온을 내놓는 고분자. 액체 전해질처럼 이온 전도성을 띄지만 고체 혹은 겔 상태이기 때문에 다양한 응용이 가능하다.
가교제 (Crosslinker) : 선 모양의 분자 속에서 특정 원자와 원자를 이어주는 물질로, 가교 현상(Cross linking)이 일어나면 물질의 물리·화학적 특성이 개선된다.
이온 열전 성능지수 (Ionic figure of merit, ZTi) : 열전소재의 에너지 변환 효율을 평가하는 지표. 지벡 계수와 이온전도도에 비례하며 열전도도에 반비례한다.
가역적 상호작용 (Reversible interaction) : 공유 결합과 달리 느슨하게 연결되어 화학적으로 끊어짐과 연결됨이 반복되는 결합. 대표적으로 수소 원자와 질소, 산소 원자 간에 일어나는 수소 결합이 있다.
슈퍼커패시터 (Supercapacitor) : 전극 표면에서 전자와 이온의 흡·탈착해 에너지를 저장하는 장치이다. 

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