스토리

얇은 두께면서 성능 좋은 체열발전소자 개발


 

연세대 기계공학과 김우철 교수 연구팀(제1저자: Salman Khan 박사과정생)이 복사냉각 소재를 방열판으로 사용해 작고 간편하면서도 최고의 성능을 가진 웨어러블 열전소자를 개발했다. 이를 통해 웨어러블 열전소자의 착용성을 향상하고 체열 회수한 전력을 배터리에 저장했다. 

 

열전소자는 온도차에 의해 발생하는 열을 전기로 변환할 수 있는 장치이다. 이를 응용하면 체온과 대기의 온도차로 인한 열을 전기로 바꿀 수 있어 착용형 센서 등을 체열로 작동하는 데 활용할 수 있다. 하지만 헬스케어용 센서나 기기를 작동하기 위해서는 넓은 면적에 거대한 방열판이 통합된 웨어러블 열전소자를 사용해야 충분한 전력을 얻을 수 있어 착용성이 떨어지는 문제가 있다.

 

연세대 김우철 교수팀은 이러한 문제를 복사냉각 효과를 적용한 방열판으로 해결했다. 복사냉각 효과는 태양으로부터 전파되는 파장 대역의 복사에너지는 반사하고 대기의 창이라 하는 상온 대역의 중-적외선 복사에너지는 방사해 온도를 낮추는 효과로, 온실효과와 대비되는 개념이다.

 


 

연구팀은 수백 마이크로미터 두께의 복사냉각 방열판으로 기존 핀 형태의 수 밀리미터 두께의 방열판을 대체했다. 연구팀이 사용한 복사냉각 소재는 마이크로 크기의 다공성 구조를 통해 낮 동안 웨어러블 열전소자로 들어가는 태양 복사에너지 특히, 자외선 대역을 반사했고 웨어러블 열전소자로부터 중-적외선 대역 파장의 복사에너지를 맑은 날 낮과 밤 동안 방사했다.

 

그 결과 방열판 부분의 온도는 대기 온도보다 5~6℃ 낮게 유지할 수 있었다. 이를 통해 웨어러블 열전소자를 착용한 피험자가 움직이지 않고 가만히 있을 때도 피부 온도와 방열판 온도의 차이에 비례하는 만큼의 높은 전력을 회수할 수 있었다.

 

회수되는 전력은 배터리를 통해 저장해, 바깥 기온이 변하거나 방사 성능이 약화되는 공간적 제약에 의해 전력 회수량이 낮아질 때도 전원을 안정적으로 공급할 수 있도록 대비했다. 특히 이론적인 전력 밀도가 기존 리튬이온 전지보다 높은 리튬-황 배터리를 사용해 작은 부피에 큰 전력을 저장할 수 있도록 했다.

 


 

김우철 교수는 “이번 연구결과는 향후 외부 전력을 공급하지 않아도 장시간 사용할 수 있는 안정적인 전력원으로서 웨어러블 헬스케어 센서나 스마트기기 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

 

이번 연구는 국제학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 5월 28일 온라인 게재됐으며, 2021년 9월호에 정식 출간되며 연구의 우수성을 인정받아 표지(Back cover)로 선정됐다.

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