손에 쥐면 휴대폰 충전, 머지 않았다

이우영 연세대 신소재공학과 교수(사진 왼쪽)

연세대 이우영 교수 연구팀 고효율 열전소자 개발 길 열어

국내 연구진이 휴대폰을 손에 쥐고 있으면 체온으로 충전이 가능한 고효율 열전소자를 개발할 수 있는 돌파구를 열었다.

이우영(48) 연세대 신소재공학과 교수 연구팀은 9일 비스무스(Bi) 나노선에 텔루륨(Te)을 덧씌우는 방법으로 기존 나노선보다 열전도율을 25배 이상 감소시킨 고효율의 열전 효과 기술을 개발했다고 밝혔다.

열전효과란 두 금속을 접합해 한쪽에는 높은 온도를, 반대쪽에는 낮은 온도를 걸어주면 전기가 흐르거나, 반대로 직류전기를 흘려주면 한쪽에서는 발열이, 다른쪽에서는 흡열이 일어나는 현상을 말한다. 열전소자는 이를 이용해 전기를 생산하는 시스템으로, 온도차를 유지하면서 전기를 잘 생산하려면 열전달은 잘 되지 않고 전기는 잘 흐르도록 해야 한다. 그러나 전기와 열의 전달은 같은 비율로 일어나기 때문에 에너지효율이 높은 열전소자를 개발하기 어려웠다. 지금까지 열전소자가 와인냉장고나 인공위성, 잠수함 등 고비용의 특수용도로만 쓰이고 있는 이유다. 와인냉장고는 열전소자로 냉각하면 기존 냉장고와 달리 진동이 일어나지 않아 와인의 침전을 막을 수 있다. 또 열전소자는 잠수함에서 무소음으로 적의 탐지를 방지하기 위해서, 인공위성에서는 태양전지판이 작동할 수 없는 위치에 있을 때 방사성물질에서 나오는 열로 전기를 발생시키는 용도로 쓰인다.

연구팀은 비스무스와 텔루륨으로 코아셀 나노선(초콜릿을 두른 과자처럼 중심부를 이루는 물질과 서로 다른 물질이 겉을 둘러싸고 있는 나노선)을 만들어 측정한 결과, 전기전달은 그대로 유지하면서 열 전달은 기존 나노선보다 25배 이상 줄어드는 것을 확인했다. 특히 비스무스와 텔루륨의 접합부위(계면)가 거칠어지면 매끈했을 때보다 열 전달 감소효과가 5배 정도 높아진다는 사실도 알아냈다. 이우영 교수는 “전기를 수송하는 전자는 두 원소의 결합과 상관없이 빠른 속도로 지나가지만 열을 수송하는 포논은 비스무스와 텔루륨 계면에 부닥치면서 전달속도가 둔화돼서 이런 현상이 일어난다”며 “이번 연구 성과는 열 제어를 필요로 하는 열전소자와 광전소자 및 다양한 물리·화학 나노소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구성과는 재료과학 분야 유명학술지인 <어드밴스트 머티리얼스> 9일치 표지논문으로 게재됐다.

이근영 선임기자 [e-mail]