[스마트경제=복현명 기자] 황석원 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 교수가 송영민 광주과학기술원 교수 연구팀과 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 적용돼 친환경 신재생 에너지원으로써 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
연구결과는 세계적 학술지 ‘Science Advances(IF=14.957)’에 한국시간 2월 2일 오전 4시(미국 동부시간 2월 1일 오후 2시) 온라인 게재됐다.
수동 복사 냉각은 태양광은 강하게 반사시키고 열은 전자기파의 형태로 우주 공간으로 방출시켜서 외부전원의 공급 없이 물체의 온도를 낮추는 기술이다.
개인의 체온을 조절하고 주거, 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 이용해 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, 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 KU-KIST융합대학원(융합에너지공학과) 교수는 “이번 연구결과는 유연전자소자를 구현하는 공학 기술과 광학 연구의 융합을 통해 그동안의 기술로는 구현하지 못했던 생분해성/탄성 복사 냉각 기술, 수평 방향 온도 제어 기반의 유연/신축성을 갖는 발전 시스템을 제작한 것으로 친환경 섬유에 적용되거나 다양한 에너지 기술, 스마트 그리드 기술과 결합돼 지속가능한 차세대 신재생 에너지원으로써 활용될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업, 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
