UNIST 연구팀, 고성능 n형 고체 열갈바닉 전지 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 몸에서 나오는 열만으로 AA 건전지 수준의 전압을 낼 수 있는 기술이 나왔다. 별도 전원이나 충전 없이도 작동하는 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 센서 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

울산과학기술원(UNIST) 장성연 교수팀은 실제 전자기기를 작동시킬 수 있을 만큼의 출력을 갖춘 ‘n형 고체 열갈바닉 전지’를 개발했다고 20일 발표했다.

열갈바닉 전지는 사람의 체온과 주변 공기 사이의 온도 차를 이용해 전기를 만드는 소형 발전기이다. 체온(약 36℃)과 공기(20~25℃)의 온도 차는 수 ℃에 불과해 실제 전자기기를 구동할 만큼의 출력을 얻기 어려웠다.

UNIST 연구팀이 고체 열갈바닉 전지 16개를 연결해 상용 전자기기 구동에 성공했다. [사진=UNIST]

연구팀이 개발한 고체형 전지는 충분한 전압과 전류를 확보해 실제 전자기기를 구동할 수 있는 출력(전압×전류)을 얻을 수 있다. 일반적으로 고체형은 누액 위험이 없다는 장점이 있는데 고체 전해질 내부에서 이온이 잘 움직이지 못하는 탓에 전류가 부족하다.

연구팀은 이온 통로를 잘 확보할 수 있도록 전해질을 설계했다. 이온의 열 확산은 추가적 전압 상승으로도 이어져 전체 출력이 향상됐다.

이 전지 100개를 레고 블록처럼 직렬로 연결하면 체온으로부터 약 1.5V의 전압을 얻을 수 있다. 이는 일반적 AA 건전지 수준의 전압이다. 또 셀 16개가 연결되면 LED 조명, 전자시계, 온습도 센서 등을 실제로 켤 수 있다.

단위 셀 하나의 제백 계수는 –40.05mV/K로 기존 n형보다 최대 5배 향상됐다. 제백계수가 높을수록 동일한 온도 차에서 출력 전압이 높다. 체열 충전과 방전을 50회 반복해도 동일한 출력을 보이는 등 내구성도 입증됐다.

개발된 고체형 전지는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’와 Fe(ClO4)2/3 산화·환원 쌍 기반으로 한다. 고분자 사슬에 있는 음전하 황산기와 전해질 속 양이온 간의 정전기적 결합은 구조를 단단하게 하고, 동시에 음이온은 자유롭게 오갈 수 있는 경로를 만들 수 있다.

장성연 교수는 “저온 폐열을 활용한 플렉서블 열전 변환 소자 개발 분야에서 새로운 전기를 마련한 연구”라며 “웨어러블 기기나 자율형 IoT 기기에 전원을 공급하는 자가발전형 시스템의 기반이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과(논문명: Solid-state n-type thermodiffusion-assisted thermogalvanic cells with unprecedented thermal energy conversion)는 영국왕립화학회(RSC) 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)에 7월 7일자로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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