구부러지고 늘어나고 압축도 된다. 열이 있는 곳 어디에든 붙여 열을 전기 에너지로 바꿔주는 열전소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 완전히 유연한 열전소재가 나온 건 이번이 처음이다.
한국화학연구원(이하 화학연) 화학소재연구본부 조성윤 박사팀은 열원의 형태와 관계없이 어디든지 붙일 수 있는 ‘스펀지형 열전소재’를 개발하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.
열전소재는 열을 전기로 바꿔주는 소재다. 온도 차로 전기를 만든다. 일례로 발전소 굴뚝에 열전소재를 부착하면 굴뚝 안쪽의 고온(150도)과 바깥 상온(30도)의 온도 차로 전기가 만들어진다.
연구진은 주변에서 손쉽게 구할 수 있는 스펀지에 탄소나노튜브 용액을 코팅했다. 탄소나노튜브를 물리적으로 분산시킨 용매를 스펀지에 도포한 후, 용매를 빠르게 증발시킨 것이다. 탄소나노튜브는 전기전도도가 높고 기계적 강도가 강하며, 지구상에 풍부하게 존재한다.
제조방법이 간단해 대량생산에 적합하다. 모양을 만들어주는 틀 없이 스펀지를 이용해 열전소재를 만들 수 있기 때문이다. 이를테면 거푸집 없이 콘크리트 구조물을 만드는 셈이다.
지금까지 대부분의 열전소재는 무기 소재로 만든 탓에 유연하지 않았다. 제조공정 자체도 까다롭고 복잡하다. 지난해 한국화학연구원 조성윤 박사팀이 구부러진 열원에도 적용할 수 있는 탄소나노튜브 폼 열전소재를 개발했다. 열전소재는 딱딱하다는 고정관념을 깨고, 스펀지와 유사하면서도 높게 쌓을 수 있는 탄소나노튜브 폼을 만든 것이다.
하지만 소재 자체가 완전히 유연한 건 아니었다. 압력을 가하면 부서지는 것도 문제였다. 이런 이유로 열전소재를 고무 기판에 넣어 사용해야 했다. 이번에는 아예 스펀지로 열전소재를 만들어 이 문제를 해결했다.
화학연 조성윤 박사는 “지금까지 개발된 유연한 소재는 지지체나 전극의 유연성을 이용한 것이었다”면서 “이번처럼 소재 자체가 유연한 건 이번 스펀지형 열전소재가 처음”이라고 말했다.
이번에 개발된 스펀지형 열전소재는 열전소재의 전기적 특성과 스펀지 고유의 성질을 그대로 유지하고 있다. 실험 결과, 열전소재를 압축하고 복원하는 과정을 1만 번 반복해도 형태 및 전기적 특성이 안정적으로 유지됐다. 조 박사는 “압축 전과 압축 후의 저항값(전류 흐름을 방해하는 요소)이 각각 1.0Ω(옴), 0.3Ω으로 그대로 유지됐다”며 “이는 스펀지에 기공이 무수히 많아 변형에 강하기 때문”이라고 설명했다.
또 스펀지 탄성을 이용한 응용도 가능할 것으로 보인다. 스펀지형 열전소재의 경우, 압력이 커질수록 발전량도 덩달아 높아졌다. 실험 결과, 열전소재를 압축했을 때 최대 2㎼(마이크로와트)의 전기를 생산, 압축 전과 비교해 발전량이 10배 정도 증가했다. 이에 대해 연구논문 1 저자인 김정원 박사는 “스펀지의 압축·복원 탄성을 활용해 몸에 부착하는 웨어러블(착용형) 기기에 적용할 수 있을 뿐 아니라, 우수한 기계적 성질이 요구되는 자동차 등에도 다양하게 응용할 수 있다”고 전했다. 열전소재 분야 전망은 밝다. 현재 자동차에서 사용하고 난 후의 열이나 온천수를 이용한 열전발전 시작품의 실증실험이 진행되고 있다. 앞으로 관련 기술 수요도 증가할 것으로 예측된다.
이번 연구성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘나노 에너지’에 게재됐다.