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『신기술 1』 바람과 열에너지를 전기로 바꾼다
2024-03-15

바람과 열에너지를 전기로 바꾼다
에너지하베스팅 기술 
태양전지 표면에 쌓이는 먼지와 같은 오염물질들은 에너지 생산량에 손실을 끼친다. 먼지 제거 기술인 전기역학 스크린은 고전압의 교류 전기를 공급할 외부 전력원이 필요하다. 바람에너지로 구동되는 고출력 마찰대전 에너지 발전소자 개발했다. 또한 ‘열전기술’은 열과 전기 사이의 에너지 변환기술로써 버려지는 열을 전기로 변환하는 친환경 기술이다. 일반적으로 ‘열을 이용한 발전효과’와 ‘전기를 이용한 냉각효과’를 얻을 수 있으며, 배폐열 회수 발전, 무냉매 냉각장치 등 전통적 산업에서의 응용뿐 아니라, 국부 냉각·가열을 통한 정밀 온도제어시스템 및 지속적 전원 공급을 위한 에너지하베스터 등 첨단 신산업 분야 응용까지 폭넓은 활용성으로 주목받고 있다. 국내 연구팀에 의해 기술적 난제를 해결해 개발된 ‘유무기 열전복합물’인 효율성이 뛰어난 열전소재를 개발해 화제다.

정리 편집부
자료 DIGIST

DGIST 에너지공학과 이주혁 교수팀이 태양전지의 표면 오염 제거 및 예방으로 태양에너지의 효율을 높일 수 있는 에너지 하베스팅 소자를 개발했다. 삼성전자 생산기술연구소 승완철 박사와 공동연구를 통해 개발한 이번 소자 기술은 ‘마찰대전 발전소자’를 이용하여 마찰력을 전기 에너지로 전환하고, 이를 전기역학 스크린에 활용해 태양전지 표면의 오염 방지 및 제거로, 태양광 발전 효율을 지속적으로 유지할 수 있게 된다.

바람을 고전압전기로 …
태양전지의 효율성을 높인다
태양전지는 친환경에너지로 각광받고 있으나, 패널의 표면이 오염되면 에너지 생산량이 급격하게 감소하기 때문에 주기적인 유지보수가 필요하다. 기존에는 태양전지 패널의 먼지 제거 등 유지보수를 위해 고압수 분사 및 관리가 가능한 인력을 투입하고 있지만, 면적이 넓은 사막 또는 산악 지역, 나아가 우주와 같은 극한 환경 등에서는 인력 투입이 불가능하기에 무인으로 태양전지의 표면 오염을 방지 및 제거하는 기술이 지속적으로 연구되고 있다.
전기역학 스크린 기술 한계 극복해
그중 일정 패턴의 전극에 교류 형태의 고전압을 발생시켜 입자를 이동하게 하는 ‘전기역학 스크린’기술을 활용하는 방안이 연구되고 있다. 이를 활용하기 위해서는 교류 전류 및 고전압이 필요해 태양전지 발전량에 손실이 발생하는 문제가 존재한다. 이에 연구팀은 일반적으로 소모되거나 버려지는 에너지를 재활용하는 ‘에너지 하베스팅’기술을 전기역학 스크린 기술에 적용하는 방안을 착안했다. 연구팀은 바람으로 회전하여 고전압의 에너지를 발전시키는 마찰대전 발전소자를 개발하고, 활용 가능성 확인을 위해 소자의 회전 속도에 따른 전압 출력의 변화를 기반으로 풍속과 출력의 관계를 분석했다. 그 결과 높은 풍속으로 인한 빠른 회전을 통해 고전압(최대 2,300V까지)이 생성됐으며, 해당 소자를 활용한 ‘자가발전형 전기역학 스크린’을 제작해 패널 표면의 오염 제거를 실행하자 태양전지 출력이 90% 이상 회복되는 것을 확인했다.

이번 연구에서는 자연에서 발생하는 바람에너지를 이용하여 전기에너지를 고전압의 전기에너지를 생산하는 마찰대전 발전소자를 개발하였으며 이를 전기역학 스크린 기술에 적용하는 기술을 개발하였다. 테플론, 나일론, 폴리에스터 파이버로 구성된 마찰대전 에너지 발전소자를 개발하였으며 투명전극이 패턴된 전기역학 스크린 기판을 디자인하였다. 마찰대전 발전소자의 회전 속도에 따른 출력 전압과 전기역한 스크린 먼지 제거율의 상승을 관찰하였으며 상용화 태양전지 패널에 부착하여 태양전지의 효율 변화를 관측하였다. 풍속이 향상됨에 따라 마찰전기 발전소자의 출력이 최대 약 2,300V까지 발전됨을 확인하였으며 먼지에 의해 약 절반이하로 감소하였던 태양전지 패널의 효율이 약 90% 이상 까지 회복 됐다.
친환경 기술인 열전기술의
패러다임을 만들 열전소재 개발
DGIST 나노융합연구부 김참 책임연구원팀이 저비용으로 우수한 열전특성과 유연성을 갖추고 있는 ‘유무기 열전복합물’을 개발했다. 경북대학교 에너지화학과 김태욱 교수와 공동연구를 통해 개발한 이번 기술은 열전기술의 문제점인 효율성 및 유연성을 확보하고, 가격경쟁력까지 갖춘 기술로 기존 산업 분야는 물론, 첨단 신산업 분야에까지 다양하게 응용될 것으로 기대하고 있다.
첨단 신산업 분야 활용성으로
주목받는 열전기술
‘열전기술’은 열과 전기 사이의 에너지 변환기술로써 버려지는 열을 전기로 변환하는 친환경 기술이다. 일반적으로 ‘열을 이용한 발전효과’와 ‘전기를 이용한 냉각효과’를 얻을 수 있으며, 배폐열 회수 발전, 무냉매 냉각장치 등 전통적 산업에서의 응용뿐 아니라, 국부 냉각·가열을 통한 정밀 온도제어시스템 및 지속적 전원 공급을 위한 에너지하베스터 등 첨단 신산업 분야 응용까지 폭넓은 활용성으로 주목받고 있다.

열전기술은 산업 폐열 및 자동차 배기열 회수 발전, 무냉매 냉각장치 등 전통적 산업 분야 응용을 위한 소재, 소자 및 시스템 위주로 연구개발이 진행되었으며, 최근에는 국부 냉각 및 가열을 통한 정밀 온도제어시스템 및 지속적 전원 공급을 위한 에너지하베스터로의 가능성을 주목받고 있다. 다양한 방식의 벌크형, 박막형 열전소재·소자 연구개발이 진행되고 있으나, 타 에너지 변환기술 대비 소재의 낮은 효율 및 유연성(flexibility)은 열전기술의 고질적 문제로 지적되고 있다.
연구에서는 기존 무기물 계열 열전소재에 전도성 고분자를 혼합하여 균일한 상을 생성, 유지하고 높은 밀도를 확보할 수 있는 제조법을 고안하였고, 이를 통해 유기 및 무기 구성물 간 복합물을 개발했다. 해당 유무기 복합물(inorganic/organic composite)은 각 구성물이 갖는 특유의 에너지 밴드 구조로 인해 계면에서 일종의 에너지 장벽(energy band barrier)을 형성함으로써, 전자의 에너지 크기에 따른 산란 효과(energy filtering effect)가 일어나 독특한 열전특성을 보였다. 특히, energy filtering effect에 의한 열기전력(thermopower, Seebeck coefficient) 향상이 두드러져 기존 저온용 열전소재 대비 우수한 열전특성이 있었다. 유기 구성물에 의한 유연성 확보 및 가격 감축 효과와 함께, 상기 유무기 복합물은 다양한 산업 분야에 폭넓게 적용되는 열전소재로써 새로운 가능성을 제시할 수 있다.

열전기술의 장점으로 인해 다양한 방식의 벌크형, 박막형 열전소재·소자 연구개발이 진행되고 있지만, 다른 방식의 에너지 변환 기술 대비 소재의 효율성과 유연성이 낮다는 고질적인 문제가 지속적으로 지적되고 있다.

김참 책임연구원팀은 열전기술 소재의 효율성과 유연성을 극대화하기 위해 기존 무기물계 열전소재와 전도성 고분자를 결합한 ‘유무기 열전복합물’을 제조했다. 특히, 연구팀은 유기 및 무기 구성물을 합성, 혼합할 수 있는 제조 공정을 고안하여 기술적 난제였던 균일한 상을 생성 및 유지하고, 높은 밀도를 확보하는 방법을 개발했다. 해당 공정으로 제작된 ‘유무기 열전복합물’은 우수한 열전특성뿐만 아니라, 유연성, 가격 감축 효과 등 열전소재로써 다양한 장점을 가지고 있다.
 
연구자와의 인터뷰
연구 배경은 연구팀은 마찰대전 발전소자의 활용 방안을 주로 연구하는데, 고전압 저전류의 에너지를 필요로 하는 전기역학 스크린 기술의 요구 사항을 마찰대전 발전소자로 충족할 수 있음을 파악하고 연구를 시작하였다.

적용분야는 전기역학 스크린에 적용하여 태양전지 표면의 먼지를 제거하는 등 표면 오염을 방지할 수 있다. 사막, 산악 지역의 대면적의 태양전지 패널에 적용이 가능하며 특히 화성탐사 로봇과 같은 태양에너지로 구동되는 장치에 적용이 가능하다. 또한 고층 빌딩 창문이나 미세먼지 보다 작은 이물을 관리하는 클린룸에서 유지보수가 어려운 환경에 적용이 가능하다.

상용화까지 과제는 본 연구의 실용화를 위해서는 더 작은 기계적인 에너지를 이용하여 더욱 효율적으로 표면 오염/방지를 달성할수 있도록 고출력의 에너지 발전소자 개발과 전기역한 스크린 기판 개발을 필요로 한다.

연구의 가치는 이번 연구는 자연에서 존재하는 바람에너지를 이용하여 자가발전 형태로 태양전지 패널의 표면 오염 방지/제거를 할 수 있는 기술로 미래 에너지 이슈에 직면할 인류에 꼭 필요한 기술로 판단된다.

이후 목표는 마찰대전 발전소자를 활용한 기술들을 개발하여 실용화에 도전하여 에너지 부족 문제를 해결하고 싶습니다.

연구자와의 인터뷰
이 성과는 무엇이 다른가 기존 무기물 계열 열전소재(Bi2Te3)와의 계면에서 에너지 장벽(energy barrier)을 형성, 이론적으로 전자의 에너지 크기에 따른 산란 효과(energy filtering effect)를 일으킬 것으로 예상되는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 선정하여 두 물질 간 유무기 열전복합물을 제조하였음. 유기 및 무기 구성물을 적절히 합성, 혼합할 수 있는 제조 공정을 고안하여 균일한 상을 생성, 유지함으로써, 우수한 열전특성과 함께 유연성, 가격 감축 효과 등 열전소재로써 다양한 장점을 확보했다.

적용 분야는 유무기 열전복합물은 우수한 열전특성뿐 아니라 유연성 확보가 가능하여, 기존 산업 분야(e.g., 산업 폐열 및 자동차 배기열 회수 발전, 무냉매 냉각장치 등)는 물론, 고부가가치 첨단 산업(e.g., 반도체 소재/부품/제조설비 국부 냉각 및 가열용 소형·정밀 온도제어시스템)과 차세대 산업(e.g., 에너지하베스팅 및 사물인터넷 독립전원장치) 분야에 다양하게 응용될 것으로 기대된다.

상용화까지 과제는 열전복합물 생산기술 스케일업 및 성능 안정화와 그에 적합한 소재 및 소자 가공 기술 등 본 연구그룹 차원의 후속 연구와 함께, 관련분야 기업체와의 공동연구 수행이 필요하며, 이에 3~5년 정도의 시간이 필요할 것으로 예상된다.

연구를 시작한 계기는 연구자는 전체 연구경력 기간동안 에너지 변환 및 저장 분야에 적용될 수 있는 다양한 반도체 계열 소재 및 소자 연구를 진행하였고, 특히 오랜 기간 낮은 에너지 변환 성능에 머물러 있는 열전소재 분야에 연구역량을 집중하고 있다.

연구성과의 가치는 유기물 및 무기물 간의 안정적인 열전복합물을 개발하여 저온 영역의 높은 열전성능과 함께, 유연성, 가격 감축 효과 등의 장점을 확보함으로써, 기존 산업뿐 아니라 첨단 신산업 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 열전소재의 새로운 가능성을 제시했다.

이후 목표는 현재의 연구 기조를 유지하여 열전기술뿐 아니라, 에너지 변환 및 저장 분야에 적용될 수 있는 다양한 반도체 소재 및 소자 분야 기술경쟁력을 지속 확보함으로써 국내 소재 기술 분야 발전에 기여하길 기대된다.

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