[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

열전소자는 일상생활에서 발생하는 저온 폐열(<100℃)을 효율적으로 전기에너지로 전환할 수 있는 열에너지 수확 기술로서 높은 잠재력을 인정받고 있다. 최근 전자나 정공 전하 운반체로 인해 전력을 생산하는 기존의 전자 열전 소자1) (Bi2Te3 등) 대신, 이온 운반체의 열확산2)(Thermodiffusion) 및 열갈바닉3)(Thermogalvanic) 현상을 이용해 수 mV K-1에 달하는 높은 열기전력4)(Thermopower)를 만드는 이온 열전소자5)가 보고되고 있다.

열갈바닉 전지는 전극 간 온도 차를 이용해 산화, 환원 반응을 유도하여 생성된 전위차로 전력을 생산하는 소자로, 지속적인 패러데이(Faradaic) 전류를 발생시키기 때문에 그 활용도가 높을 것으로 기대됐다. 하지만 그동안 대부분의 열갈바닉 전지는 액체 전해질 기반이었기 때문에 전해질의 누수, 낮은 열기전력과 출력 밀도 등의 한계를 갖고 있어 실제 일상생활에서의 적용에는 어려움이 있었다. 특히 체온이나 주변 환경과 같은 낮은 온도 차 조건에서도 안정적으로 작동하면서 고출력을 낼 수 있는 고체형 열갈바닉 전지의 개발이 필수적이다.

2.연구내용

본 연구팀은 전도성 고분자6)인 PEDOT:PSS와 Fe(ClO4)2/3 산화·환원 쌍7)을 활용하여, ‘고체형 열확산 기반 열갈바닉 전지(Thermodiffusion-assisted TG cell)’를 개발했다. 이 전지는 고체형 고분자 전해질 기반의 열갈바닉 전지이자, 동시에 열확산 효과를 극대화한 이중 메커니즘 (thermogalvanic + thermodiffusion)이 적용돼 높은 전압과 전류를 동시에 확보했다.

전도성 고분자 PEDOT:PSS의 황산기(SO3-)와 Fe2+/3+ 이온 사이의 정전기적 상호작용은 고분자 사슬을 물리적으로 가교 하여, 구조를 안정화시키며, 동시에 ClO4- 음이온의 해리와 자유 이동을 유도한다. 해리된 ClO4- 이온은 온도 차에 따라 열확산을 일으키며, 그 과정에서 추가적인 전위차를 형성해 전력 출력을 증대시킨다.

그 결과 -40.05 mV K-1의 n형 제베크(Seebeck) 계수(단위 온도당 열기전력)와 56.57 mW m-2K-2의 최대 출력 밀도를 달성하였고, 50회 이상의 충·방전 사이클 동안 안정적으로 성능을 유지했다. 이는 현재까지 보고된 열갈바닉 전지 중 가장 우수한 성능이다.

연구팀은 나아가 16개의 열갈바닉 셀을 직렬로 연결한 모듈을 제조하여, LED, 온습도 센서, 전자 손목시계 등 상용 전자기기의 구동이 가능함을 입증했다. 특히, 100개의 셀을 조립식으로 연결한 웨어러블 모듈에서는 인체의 열만으로 1.5 V의 전압을 생성하는 데 성공하여, 실용화 가능성을 한층 높였다.

3.기대효과

본 연구에서 개발된 열확산 기반 열갈바닉 전지는 기존 액체형 열갈바닉 전지가 갖고 있던 누액, 내구성 문제를 극복한 최초의 고체형 시스템이다. 특히 체온처럼 낮은 온도 차에서도 고출력을 얻을 수 있다는 점에서 웨어러블, 자가발전형 기기 등 에너지 자립형 전원 기술의 새로운 패러다임을 제시한다.

[붙임]용어설명

1.전자 열전 소자 (Electronic thermoelectrics)

전자 (Electron) 혹은 정공 (Hole)이 제베크 효과 (온도 구배에 의해 전하 이동자가 한쪽으로 이동해 기전력(전압)을 만드는 효과)를 형성하는 소자.

2.열확산 (Thermodiffusion)

온도 구배(gradient)가 존재할 때, 이온과 같은 입자들이 고온 영역에서 저온 영역으로 이동하는 현상이며, 이로 인해 전하 분리가 발생하여 열기전력이 생성됨.

3.열갈바닉 (Thermogalvanic)

전극 간 온도 구배(gradient)가 존재할 때, 산화·환원 반응의 열역학적 평형 위치가 온도에 따라 달라지는 현상을 기반으로 전압을 생성함.

4.열기전력 (Thermopower)

온도차로 인해 전극 사이에 생성되는 전압을 나타내는 지표로, mV/K 단위를 사용함.

5.이온 열전 소자 (Ionic thermoelectrics)

전해질 내 양이온 (Cation) 혹은 음이온 (Anion)을 주된 전하 이동 매개체로 작동하며, 지벡 효과에 의해 기전력을 만드는 소자.

6.전도성 고분자 (Conducting polymer)

일반적인 절연성 고분자와 달리 공액(conjugated)구조를 가져 전자의 이동을 가능하게 하며, 도핑(doping)을 통해 전도성을 조절할 수 있음.

7.산화 환원 쌍 (Redox couple)

전기화학 반응에서 전자를 주고받는 두 가지 산화 상태를 갖는 이온 또는 분자의 조합.

[붙임] 그림설명

그림1. 개발된 고체형 열갈바닉 전지에서의 전기화학적 반응 메커니즘(왼쪽)과 웨어러블 모듈 (오른쪽 아래)

그림2. 개발한 열갈바닉 셀을 직렬 연결한 모듈의 상용 전자기기 구동. 그림(a) 온도 구배에 따른 모듈의 열기전력(전압) 출력. 그림(b) 90분 이상 작동하고 있는 온습도 센서. 그림(c) LED, 온습도 센서, 전자 손목시계 등 상용 전자기기의 구동.