《신기술 1》 얼룩말의 무늬로 섬유형 발전시스템 개발
2023-04-19

얼룩말의 무늬로 섬유형 발전시스템 개발
지스트-고려대, 열전현상 이용한 전기 생산
유연한 전자소자를 구현하는 공학과 광학의 융합 연구의 성과로, 그동안 구현하기 힘들었던 수평 방향의 온도 제어에 성공하여 유연성과 신축성을 지닌 발전시스템을 제작했다. 기존에는 열이 상부층에서 방출되고 하부층에서 흡수되는 복잡한 구조로 설계되어 비효율적이고 상용화가 어려웠다. 평면에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 구부러지고 늘어나는 물리적 변형에도 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 혁신적인 시스템으로, 열전소재의 활용도를 획기적으로 높일 것으로 기대된다.

정리 편집부 
자료 GIST

GIST(광주과학기술원)와 고려대 연구진이 얼룩말 무늬에서 착안한 수평 방향의 발전(發電) 메커니즘을 생분해성 나노필름 소재에 적용해 구부러지고 늘어나는 섬유형 발전시스템을 개발했다. 필름 소재 표면의 색깔 차이(검정색-흰색)에 따라 발생하는 온도 차로 전기를 발생시키는 ‘열전(熱電) 현상’을 이용한 것으로, 기존의 복잡한 열전소재와 달리 얼룩말 무늬와 같은 단순한 수평 구조를 적용하여 유연성과 신축성이 필요한 다양한 환경에 활용될 것으로 기대된다. 또한 24시간 쉬지 않고 전기를 생산할 수 있으며 생리식염수에서 녹아 없어지는 생분해성 소재를 사용해 차세대 친환경 에너지원으로 활용이 기대된다.

‘열전 현상’은 온도(열에너지)의 차이로부터 전위차가 발생하여 전류가 흐르게 되는 현상. 소재 안과 밖에 온도차(열)가 생기면 전하가 흐르는 힘이 생기는데, 온도차가 크고 전하가 잘 흐를수록 열전발전이 잘 이루어진다. 수력발전에서 폭포 높이(낙차)가 높고 물이 많이 흐를수록 전력 생산량이 많은 원리와 흡사하다.

연구팀은 색깔 차이로 인해 평면에서도 가열(검정색)과 냉각(흰색) 영역이 뚜렷한 얼룩말 무늬에 착안했다. 얼룩말 무늬를 생분해성 나노섬유 필름 위에 입히고 광학 계산을 통해 가장 효율적으로 열을 흡수, 방출하는 구조를 설계했다. 스펙트럼 분석 결과 가열과 냉각 영역 모두 24시간 동안 지속적인 온도 차가 유지되었다.
야외의 다양한 날씨 환경 조건에서 실험한 결과 흰색 부분은 대기 온도보다 최대 약 8 ℃까지 낮아졌고 검은색 부분은 주변 대기 온도보다 최대 14 ℃까지 상승하여 최대 22 ℃의 온도 차를 얻을 수 있었으며, 이 온도 차를 최대 약6 µW/㎡의 전기에너지로 변환하는 데 성공했다. 이는 저전력 센서를 구동할 수 있는 수준으로 향후 생체 신호 측정 웨어러블, 산업현장의 고온 감지 센서 및 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서 등에 활용될 것으로 기대된다. 특히 사각형 모양 필름을 네 귀퉁이에서 잡아당겨 약 1.3배로 늘린 상태에서도 발전 성능이 유지되어 향후 다양한 환경에서 적용 가능할 것으로 주목된다.

평면에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 구부러지고 늘어나는 물리적 변형에도 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 혁신적인 시스템으로, 열전소재의 활용도를 획기적으로 높일 것으로 기대된다. 기존에는 열이 상부층에서 방출되고 하부층에서 흡수되는 복잡한 구조로 설계되어 비효율적이고 상용화가 어려웠다.
그림2의 복사 냉각

이번 연구 성과는 세계적인 학술지 사이언스(Science)의 자매지인 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)>에 2023년 2월 1일 온라인 게재됐다. 송영민 교수는 “이번 연구는 유연한 전자소자를 구현하는 공학과 광학의 융합 연구의 성과로, 그동안 구현하기 힘들었던 수평 방향의 온도 제어에 성공하여 유연성과 신축성을 지닌 발전시스템을 제작했다는 데 의의가 있다”고 말했다.

지스트 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수와 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 황석원 교수가 지도하고 지스트 허세연 박사과정생, 고려대 한원배, 김동학 박사가 공동 수행한 이번 연구 결과는 한국연구재단 기초연구실후속연구사업, 나노소재기술개발사업, 미래유망 융합기술 파이오니아사업, 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행되었다.
Science Advances (Impact factor: 14.957)2)
에너지 하베스팅(energy harvesting)과 열전 효과3)
에너지  하베스팅(Energy  Harvesting)은  태양광,  진동,  열,  풍력  등과  같이  자연적인  에너지원으로부터 발생하는 에너지를 미세하게 수확하여 전기에너지로 변환시켜 저장 또는 사용하는 기술이다. 에너지변환 단계에서  적용되는  에너지  하베스팅  기술로는  광전,  열전,  압전  그리고  전자기파  변환  기술  등이  있다.

초기  에너지 하베스팅은 소자의  집적도  및  크기를 키워  효율을 높이고,  많은  양의  에너지를 생산하는  데  주력하였으나,  최근에는  작고  휴대가  가능하며  유연한  소자를  제조하는  기술들이  개발되고  있어  응용  분야가  다양화될  것으로  전망된다. 특히, 무선네트워크나  자동차의  소형  전자장치,  모바일기기  그리고  웨어러블  디바이스  등  저전력기기  중심의  보급이  활발해질  것으로  예측한다.

광전변환  기술 광전효과(Photoelectric  Effect)4)를  이용한다. 에너지  하베스팅  기술  중에서 가장 먼저  개발되었고,  대표적인  것으로  태양전지를  이용한  태양광발전  등이  있다.

압전변환  기술 최근  가장  주목받고  있는  에너지  하베스팅  기술이다.  외부의  힘  또는  진동  등이 압전체에 가해지면  기계적  응력  또는  변형으로  전하가  발생하는  압전효과를  이용하여  전기에너지를  생산하는  기술이다.

열전변환(소자) 온도  차이만으로  발전이  가능하고,  가동  부분  또는  구동  부분이  따로  필요하지  않아  구조가  간단하며,  소자의  수명이  길고,  태양열,  지열,  폐열  등  열원이  존재하는  모든  곳에서  사용이  가능하다. 열전소자는  온도  차이만으로  발전이  가능하고,  가동  부분  또는  구동  부분이  따로  필요하지  않아  구조가  간단하며,  소자의  수명이  길고,  태양열,  지열,  폐열  등  열원이  존재하는  모든  곳에서  사용이  가능하다.

전자기파 변환 기술 WiFi, 라디오 무선통신과 같이 전자기파를 이용하는 무선네트워크가 공기 중에 전자기파의  잔여물을  남길 때 수집하여 에너지로 변환하는 기술이다, 전자기파 잔여물은  변동하는 자기장과  전기장으로 이루어져 있어 전자기유도 법칙에 의해 안테나에 미약한  전류가 생성되고, 생성된  전류는 공진회로를  통해  증폭되어 사용  가능한  전류를  발생시키는 원리로  구동된다.

에너지 하베스팅 기술 분야에서 열전변환 시스템은 범용화가 쉽지 않다. 군사 분야, 우주항공 산업 등의 특수 환경에서 활용되고 있다. 웨어러블 디바이스 및 인공피부, 센서 등에 사용되기 적합하나, 상용화를 위해 변환 효율이 높은 소재 및 모듈 개발이 필요하다.
1) 수동형 복사 냉각 방식 : 장적외선을 복사를 통해 방출함으로써 외부전원 공급 없이 주변 온도를 낮추어주는 냉각 방식이다.
2) 논문명 : <Zebra-inspired stretchable, biodegradable radiation modulator for all-day sustainable energy harvesters> 저자 정보 : 한원배(고려대, 공동 제1저자), 허세연(지스트, 공동 제1저자), 김동학(고려대 공동 제1저자), 양승민, 고관진, 이길주, 김동재, 이중훈, 신정웅, 장태민, 한성근, 강희석, 임준현, 김도현, 김수현, 송영민(공동 교신저자), 황석원(고려대, 공동 교신저자)  
3) <최신 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술 및 산업 동향>, 윤정배, KOSEN Report 2020 
4) 광전효과는 금속 등의 물질(입자)이 빛에 쪼이면 전자를 내놓는 현상이다. 

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