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| UNIST, ‘웨어러블 태양광-열전 발전기’ 개발 |
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| 기존 웨어러블 열전 발전기에 ‘광흡수 시스템’을 도입해 |
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한국에너지절약신문 
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| ▲ 국내 건축 전시회에 출품된 태양광 발전 시스템. (사진=김중배 大記者) © 한국에너지절약신문 | |
최근 전 세계적으로 주목을 받는 새로운 기술이 바로 사람이 착용할 수 있는 기기를 만들 수 있는 ‘웨어러블 기술’이다. ‘웨어러블 기술’은 기존의 기기와는 달리 안경, 시계, 옷과 같이 사람이 직접 착용할 수 있는 제품을 만든다는 것이 특징이다.
그런데 옷이나 유리창, 건물 외벽 등에 붙여 전기를 만드는 ‘웨어러블 태양광-열전 발전기’가 우리나라에서 개발됐다. 이 기술은 햇빛을 흡수해 뜨거워진 부분과 나머지 부분의 온도차를 이용하는 원리다. 온도차를 20.9℃까지 벌릴 수 있어 발전 효율을 크게 높일 수 있다.
UNIST(총장 : 정무영) 신소재공학부의 최경진 교수팀은 태양광과 열전 소재를 융합한 신개념 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술을 개발했다. 기존 웨어러블 열전 발전기에 광흡수 시스템을 도입한 ‘웨어러블 태양광-열전 발전기(Wearable solar thermoelectric generator)’다.
에너지 하베스팅 기술은 우리 주변에서 버려지는 열이나 빛, 압력 등을 이용해 전기를 만드는 다양한 분야를 아우르는 말이다. 이 가운데 지열이나 태양열, 체열처럼 버려지는 열을 이용해 전기를 생산하는 소자는 열전 발전기라고 부른다.
최근에는 체온과 대기의 온도 차이를 이용하는 웨어러블 열전 발전기 개발이 활발하다. 하지만 둘 사이의 온도차는 1~4℃에 불과해 웨어러블 열전 발전기를 본격적으로 상용화하기 어려웠다.
최경진 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.
이번 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.
이번 연구에서 온도차를 전기 에너지로 바꾸는 열전 재료로는 비스무스 텔루라이트(Bi₂Te₃)가 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 광흡수체(Ti/MgF₂)를 얇게 쌓아올려 기판을 만들었다. 그런 다음 광흡수체 좌우에 각각 5쌍의 p-n 열전 레그(Thermoelectric leg)를 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.
최경진 교수는 “이번 연구로 개발한 태양광-열전 발전 기술은 소형 웨어러블 전자기기의 자가충전 기술로 응용 가능하다”며 “향후 웨어러블 전자기기 산업을 본격적으로 발전시키는 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 나노 에너지(Nano Energy, IF: 12.34) 9월 7일자 온라인판에 게재됐다. 연구 수행은 울산광역시(시장 김기현), KIST(한국과학기술연구원, 원장 이병권), UNIST에 의해 운영되고 있는 ‘KIST-UNIST 울산 융합신소재 공동연구센터(KUUC)’의 지원으로 이뤄졌다.
/이민우 기자
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| 기사입력: 2017/11/02 [16:51] 최종편집: ⓒ 한국에너지절약신문 |
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