▲ 웨어러블 광열전 소자 제조 공정의 개략도. 먼저 유연 폴리이미드(PI) 기판 위에 초격자 광흡수체(Ti/MgF₂)를 부분적으로 증착한다. 이 물질은 가시광선을 흡수해 열로 바꿀 수 있다..

국내 연구진이 옷이나 유리창, 건물 외벽 등에 붙여 전기를 만드는 ‘웨어러블 태양광-열전 발전기’가 개발했다. 햇빛을 흡수해 뜨거워진 부분과 나머지 부분의 온도차를 이용하는 원리로 온도차를 20.9℃까지 벌릴 수 있어 발전 효율을 크게 높일 수 있다.

UNIST(총장 정무영)는 최경진 신소재공학부의 교수팀이 태양광과 열전 소재를 융합해 기존 웨어러블 열전 발전기에 광흡수 시스템을 도입한 ‘웨어러블 태양광-열전 발전기‘를 개발했다고 21일 밝혔다.

에너지 하베스팅 기술은 우리 주변에서 버려지는 열이나 빛, 압력 등을 이용해 전기를 만드는 다양한 분야를 아우르는 말이다. 이중 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.

이에 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 재료로 비스무스 텔루라이트(Bi₂Te₃)를 잉크형태로 바꾸어 기판위에 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.

한편, 이번 연구결과는 나노 에너지(Nano Energy, IF: 12.34) 9월 7일자 온라인판에 게재됐다. 연구 수행은 울산광역시, KIST, UNIST에 의해 운영되고 있는 ‘KIST-UNIST 울산 융합신소재 공동연구센터(KUUC)’의 지원으로 이뤄졌다.