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▲ (왼쪽부터) 제1저자 한원배 박사(고려대), 제1저자 허세연 박사과정(GIST), 제1저자 김동학 박사(고려대), 교신저자 송영민 교수(GIST), 교신저자 황석원 교수(고려대) (사진=고려대) |
연구결과는 세계적 학술지 ‘Science Advances(IF=14.957)’에 한국시간 2월 2일 오전 4시(미국 동부시간 2월 1일 오후 2시) 온라인 게재됐다. (논문명 : Zebra-inspired Stretchable, Biodegradable Radiation Modulator for All-day Sustainable Energy Harvesters)수동 복사 냉각은 태양광은 강하게 반사시키고, 열은 전자기파의 형태로 우주 공간으로 방출시켜서, 외부전원의 공급 없이 물체의 온도를 낮추는 기술이다. 개인의 체온을 조절하고, 주거 및 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 이용하여 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 및 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 교수는 "이번 연구결과는 유연전자소자를 구현하는 공학 기술과 광학 연구의 융합을 통하여, 그동안의 기술로는 구현하지 못했던 생분해성/탄성 복사 냉각 기술 및 수평 방향 온도 제어 기반의 유연/신축성을 갖는 발전 시스템을 제작한 것으로, 친환경 섬유에 적용되거나 다양한 에너지 기술 및 스마트 그리드 기술과 결합되어 지속가능한 차세대 신재생 에너지원으로써 활용될 것"이라고 기대했다.
이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업 및 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.
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▲ A. 24시간 발전 가능한 생분해성 유연/신축 온도 제어 시스템의 개략도. 복사 가열 얼룩말 무늬가 패턴된 신축성 있는 복사 냉각 나노섬유 필름으로 수평 방향의 온도 차를 형성하고, 생분해성 실리콘 나노막 열전 소자가 이 열 에너지를 전기 에너지로 변환하게 됨. B. 얼룩말 무늬로 패턴된 필름의 열 적외선 사진. 흰색의 나노섬유 필름은 높은 태양광 반사도와 대기의 창 영역에 대한 방사도를, 검정색의 얼룩말 무늬 패턴은 높은 태양광 흡수도와 대기의 창 영역에 대한 반사도를 보인다는 것을 의미함. C. 필름의 벤딩 및 신축에 대한 높은 변형도. D. 발전 시스템의 주요 구성 성분에 대한 생리식염수 내에서의 생분해성 관찰. |
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▲ A. 복사 냉각 나노섬유 필름의 신축 전후의 공극 (pore) 분포도. B. 공극 분포도에 따른 태양광에 대한 산란효율. 다양한 공극 분포를 갖는 필름이 태양광 스펙트럼의 전 범위에서 높은 반사도를 가짐을 의미함. C. 고분자의 농도에 따른 나노섬유 필름의 높은 태양광 (노랑색 영역) 반사도와 대기의 창 영역 (파랑색 영역) 에서의 방사도를 나타내는 광학 분석 결과. D. 광학 분석을 토대로 계산된 냉각 성능. E,F. 다양한 날씨 및 변형 하에서의 필름의 냉각 성능 평가. 최대 약 8 ℃의 냉각 성능을 보이며, 변형 하에서도 냉각 성능은 유지됨. |
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▲ A. 생분해성 유연/신축 발전 시스템의 전개도. 태양광 및 대기의 창 영역을 제어해서 온도 차를 형성하는 윗면과 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 실리콘 나노막 기반 열전 소자가 전사된 아랫면으로 구분됨. B. 제작된 발전 시스템 사진과 (왼쪽) n 타입 및 p 타입의 실리콘 나노막으로 구성된 열전 소자의 확대 사진 (오른쪽). C. 복사 냉각 고분자와 복사 가열 소재(PEDOT:PSS, W foil)의 광학 분석 결과. 복사 냉각 고분자와는 달리, 복사 가열 소재는 높은 태양광 방사도(=흡수도)와 낮은 대기의 창 영역 방사도를 가짐. D. 복사 가열 소재에 따른 얼룩말 패턴의 밤낮 온도 차 형성 결과. E. 외부 환경에서의 실시간 발전 성능 측정. 위는 태양 일조량을, 중간은 형성된 온도 차를, 아래는 온도 차가 전기 에너지로 변환된 전력 양을 나타냄. (자료=고려대) |
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