울산과학기술원(UNIST)은 단 1.5℃의 미세한 온도 차이만으로 LED 전구를 점등할 수 있는 세계 최고 성능의 유연 이온 열전 소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

장성연 에너지화학공학과 교수팀이 개발한 p형·n형 이온 열전 소재의 열전 성능지수(ZTi)는 p형 49.5, n형 32.2로 현재까지 보고된 이온 열전 소재 가운데 최고 기록이다. 이는 기존 최고 기록보다 70% 향상된 수치다.

열전 소재는 소재 내·외부의 온도 차로 전기를 생산하는 발전기와 같은 소재다. 이 가운데 '이온' 열전 소재는 이온이 움직여 전기를 만드는데, p형 소재는 양이온, n형 소재는 음이온이 이동하는 방식이다. 온도 차가 생기면 이온이 차가운 쪽으로 이동하면서 전압이 발생한다.

p형 소재는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 복합체를 기반으로 하며 n형 소재는 여기에 염화구리(CuCl₂)가 첨가된 형태다. 두 소재 모두 가볍고 유연한 고분자 기반이라 필름 형태로 제작할 수 있다.

연구팀이 이 소재 10쌍을 직렬 연결해 만든 필름형 발전 모듈은 1℃ 온도 차마다 1.03V의 전압을 생성했으며 1.5℃ 온도 차이로 LED 전구를 켰다. 실내 환경에서 2개월 이상 95% 이상 성능을 유지해 장기 안정성도 입증했다.

연구팀은 소재 내 이온 농도와 이온 확산 계수 간 균형점을 찾는 열역학적 설계 방식으로 이 소재를 개발했다고 설명했다. 이온이 많으면 발전 효율이 높지만 너무 많으면 흐름을 방해받는 문제를 해결하기 위해 첨가물 농도와 소재 내부 구조를 체계적으로 분석해 전체 전력 밀도가 최대가 되는 지점을 찾았다.

김동후 연구원은 "이온 열전 소재는 그간 체계적인 설계 지침이 부족했는데, 이번 연구는 설계 원리를 제시한 연구"라고 설명했다. 장성연 교수는 "개발된 소재는 얇고 유연해 몸이나 곡면 표면에 쉽게 밀착시킬 수 있다"며 "배터리 없이도 충전되는 착용형 스마트 워치나 미세한 온도 차만으로 작동하는 자가 발전 센서 개발에 응용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 10월 4일 자로 온라인 공개됐다.