고려대학교 4단계 BK21 바이오혁신첨단소재교육연구단

온도차를 이용한 생분해성 유연·신축 에너지 생산 시스템 

황석원 교수팀, Science Advances 저널 논문 게재

□ 고려대학교(총장 정진택) KU-KIST 융합대학원 황석원 교수와 광주과학기술원 송영민 교수 연구팀은, 얼룩말 모사 패턴으로 온도를 제어하고, 이를 열전 현상에 의해 전기로 변환하는 생분해성 발전 시스템을 개발했다. 이번 연구는 시공간에 구애받지 않고 유연/신축성을 요구하는 다양한 환경에 적용되어 친환경 신재생 에너지원으로써 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 이번 연구결과는 세계적인 학술지 ‘Science Advances (IF=14.957)’지에 2월 3일 온라인에 게재되었다. 

* 논문명 : Zebra-inspired Stretchable, Biodegradable Radiation Modulator for All-day Sustainable Energy Harvesters
 * 저널명 : Science Advances (Sci. Adv. 2023, doi/10.1126/sciadv.adf5883)

□ 수동 복사 냉각은 태양광은 강하게 반사시키고, 열은 전자기파의 형태로 우주 공간으로 방출시켜서, 외부전원의 공급 없이 물체의 온도를 낮추는 기술이다. 개인의 체온을 조절하고, 주거 및 공업 지역에서의 냉각 에너지를 저감시킬 수 있다는 점에서 초전력/친환경 기술로써 주목받고 있다. 이를 열에너지와 전기에너지를 상호 변환할 수 있는 열전 소자와 결합할 경우, 복사 냉각으로 낮춰진 온도를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 지속가능한 발전이 가능한 신재생 에너지원인 셈이다.

□ 이번 연구에서는 환경적/경제적으로 지속가능한 생분해성 소재를 기반으로 복사 냉각 기술을 구현하고, 변형 가능한 형태로 설계된 열전 소자와 결합시켜서, 24시간 발전이 가능한 유연/신축 온도 제어 시스템을 개발하는데 성공했다. 연구진은 태양광을 잘 반사시키고 내부 열을 전자기파 형태로 잘 방출시킬 수 있는 최적의 냉각 구조를 광학 계산을 통해 이론적으로 설계하고, 전기방사 기법을 통해 이 구조를 갖는 다공성 나노섬유 냉각 필름을 제작했다. 그 결과, 이 필름은 다양한 날씨 환경 및 신축 하에서 대기 온도보다 최대 약 8 ℃를 낮출 수 있는 냉각 성능을 보였다.

□ 더 나아가, 연구진은 얼룩말 무늬를 모사해서 태양광을 잘 흡수하고 전자기파를 잘 반사킬 수 있는 가열 소재를 설계된 냉각 필름 위에 패턴화해서, 복사 냉각-가열되는 영역간 온도 차를 최대 22 ℃ 형성할 수 있었다. 기존의 수직방향의 온도 차 형성을 위한 단단하고 복잡한 시스템과는 달리, 유연/신축 가능한 소재와 구조를 사용함으로써 수평방향의 온도 차를 다양한 변형 하에서도 형성시킬 수 있는 혁신적인 구조인 것이다.

□ 최종적으로, 연구진은 얼룩말 무늬로 패턴된 나노섬유 필름을 실리콘 나노막 기반의 열전 소자와 결합시켜, 수평 방향으로 형성된 온도 차를 열전 소자를 통해 최대 약 0.006 mW/m2 의 전기 에너지로 변환시키는데 성공했으며, 약 30 % 잡아당겨도 발전 성능이 유지됨을 증명했다.

□ 황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 유연전자소자를 구현하는 공학 기술과 광학 연구의 융합을 통하여, 그동안의 기술로는 구현하지 못했던 생분해성/탄성 복사 냉각 기술 및 수평 방향 온도 제어 기반의 유연/신축성을 갖는 발전 시스템을 제작한 것으로, 친환경 섬유에 적용되거나 다양한 에너지 기술 및 스마트 그리드 기술과 결합되어 지속가능한 차세대 신재생 에너지원으로써 활용될 것”이라고 기대했다.

□ 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업 및 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다. 

[논문에 게재된 대표그림 설명]