UNIST, '웨어러블 태양광-열전 발전기' 개발

[베리타스알파=나동욱 기자] UNIST는 신소재공학부 최경진 교수팀이 태양광과 열전 소재를 융합한 신개념 에너지 하베스팅 기술을 개발했다고 21일 밝혔다. 개발된 기술은 기존 웨어러블 열전 발전기에 광흡수 시스템을 도입한 '웨어러블 태양광-열전 발전기'다.

에너지 하베스팅 기술이란 우리 주변에서 버려지는 열이나 빛 압력 등을 이용해 전기를 만드는 다양한 분야를 아우르는 말로 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.

최 교수팀은 온도차가 적다는 문제를 '광흡수 시스템'으로 해결했다. 유연한 기판 가운데에 광흡수체를 얇게 쌓아올려 햇빛을 흡수하고 열원으로 활용할 수 있는 부분을 만든 것이다. 이렇게 생긴 온도차는 최대 20.9℃까지 커졌다. 연구에 제1저자로 참여한 정연수 UNIST 신소재공학부 석사과정 연구원은 "기존 웨어러블 열전 발전기에 비해 최대 10배 이상의 온도차를 확보했다"며 "열전 발전기의 출력은 온도차이 제곱에 비례하기 때문에 출력을 상당히 높일 수 있는 기술"이라고 설명했다.

온도차를 전기 에너지로 바꾸는 열전 재료로는 비스무스 텔루라이트가 쓰였다. 이 물질은 원래 딱딱한 막대 모양의 반도체로 만들었는데, 웨어러블 열전 발전기로 활용하기 위해 잉크 형태로 만드는 사례가 많아졌다. 최 교수팀도 비스무스 텔루라이트를 잉크 형태로 바꿔 기판 위에 인쇄했다. 연구진은 폴리이미드로 만든 유연한 필름 가운데에 광흡수체를 얇게 쌓아올려 기판을 만들고, 광흡수체 좌우에 각각 5쌍의 p-n 열전 레그를 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. 

최 교수는 "개발된 태양광-열전 발전 기술은 소형 웨어러블 전자기기의 자가충전 기술로 응용 가능하다"며 "향후 웨어러블 전자기기 산업을 본격적으로 발전시키는 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다. 연구결과는 나노 에너지 9월7일자 온라인판에 게재됐다. 연구 수행은 울산시/KIST/UNIST에 의해 운영되고 있는 'KIST-UNIST 울산 융합신소재 공동연구센터(KUUC)'의 지원으로 이뤄졌다.