장성연 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수팀이 세계 최고 성능의 유연 p형·n형 이온 열전 소재를 동시에 개발했다. 사람 체온과 외부 공기의 단 1.5℃ 온도 차만으로도 LED 전구를 켤 수 있는 필름 발전기 열전 소재다.
열전소재는 소재 내·외부 온도차로 전기를 만들 수 있다. '이온' 열전소재는 이온 이동으로 전기를 만든다. p형 소재는 양이온, n형 소재는 음이온이 이동한다. 이 때 온도차가 발생하면 이온이 차가운 쪽으로 쏠리면서 전압이 발생하고 전류가 흐르는 원리다.
장 교수팀이 개발한 소재의 열전 성능지수(ZTi)는 p형 49.5, n형 32.2로 현재까지 보고된 이온 열전 소재 중 가장 높은 수치다. 기존 최고 수치보다 70%나 높다. ZTi가 높을수록 온도차가 크지 않아도 전기를 잘 만든다.
p형 소재는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 복합체를 기반으로 만들었고, n형 소재는 p형 소재에 염화구리(CuCl₂)를 첨가해 만들었다. P형 소재는 양이온인 수소 이온, n형 소재는 음이온인 염화 이온이 이동해 전기를 생산한다. 두 소재 모두 가볍고 유연한 고분자 기반이라 필름 형태의 발전기를 만들 수 있다.
장 교수팀은 p형 소재와 n형 소재 10쌍을 직렬 연결해 필름 형태의 발전 모듈을 제작했다. 이 모듈은 1℃의 온도차가 발생할 때마다 1.03V의 높은 전압을 일으켰고, 단 1.5℃의 낮은 온도 차이만으로 LED 전구의 불을 켰다. 실내 환경에서 2개월 이상 95% 이상 성능을 유지해 우수한 장기 안정성도 입증했다.
장성연 교수는 “개발 소재는 얇고 유연해 몸이나 곡면에 쉽게 붙일 수 있다”며 “착용형 스마트 워치나 내부·외부 온도차가 수℃에서 수십℃에 불과한 환경에서 작동하는 자가발전 센서에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com