신소재: 열전기 하이드로겔은 각종 의류에 응용할 수 있다

인류의 열에너지에 대한 리용효률은 30% 정도에 불과하며 대부분 열은 페열의 형식으로 환경에서 소모되는데 그중 3분의 2의 페열온도가 200 ℃ 보다 낮아 저품위페열을 효과적으로 회수하는것은 지속가능한 발전에 중요한 의의가 있다.

전자열전 소재보다 2∼3개 정도 높은 수준의 열전압을 갖고 있어 준고체 젤로 대표되는 열전 하이드로겔 등 이온열전 소재가 주목받고 있다.

열전기 하이드로겔 재료는 어떤 좋은 성능을 가지고 있습니까?앞으로 또 어떤 애플리케이션이 있을까요?이런 문제들을 가지고 기자는 관련 전문가를 취재했다.

　우수한 열전기 성능을 지닌 재료

열전기 하이드로겔은 우수한 열전기 성능을 가진 재료로 열전기 변환 부품과 열전기 방열 부품 등에 널리 응용된다.유연한 스트레칭 특성 때문에 인위적인 디자인으로 연경이 다르고 두께가 다르며 색상이 다른 소재로 제작할 수 있으며 피부 표면과 공형적으로 밀착되는 필름까지 제작할 수 있다.

태원리공대학 전자정보와 광학공정학원 장호림 교수는 열전기 하이드로겔 재료를 온도 경도가 있는 환경에 넣으면 재료 중산화 환원 쌍의 열볼트 효과가 재료 양쪽에 전기화학 전위차를 형성할 수 있다고 소개했다.만약 상전극을 부설하면 부품의 량끝에서 전극전위차가 생기게 되는데 즉 전압차가 형성된다.

열전기 하이드로겔의 제조 방법은 다양하다. 크게 물리교련법과 화학교련법 두 종류로 나눌 수 있다. 구체적인 제조 방법은 흔히 용접-응고법, 전기영법, 중합법 등이 있다.

태원리공대학 석사연구생 양항은 다음과 같이 소개했다. 그가 소속된 연구팀이 현재 흔히 사용하는 제조방법은 용접-응고법이다. 즉 적당한 용제를 선택하여 필요한 열전기재료를 그속에 용해하여 교체용액을 형성한다.적당한 조건하에서 열처리 또는 기타 방법을 통해 콜로이드용액을 열전기물겔로 전환시킨다.

"중합법도 일종의 화학방법으로서 단일용액에 교련제, 유발제 등 화학시약을 첨가하여 자유기중합반응을 일으켜 열전기물겔을 형성하게 한다.그러나 전영법칙은 콜로이드용액에 전기를 통하게 함으로써 외가전장의 작용하에 중합을 발생시킨다."양항은 이렇게 말했다.

　　일상생활에서 응용 분야가 매우 광범위하다.

열전기 하이드로겔 재료는 일상생활에서 많은 응용 사례가 있는데, 예를 들면 열전기 발전기는 열전기 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다.열전기 발전기에서 열전기 하이드로겔은 열전기 재료로 폐열을 전기에너지로 바꿀 수 있다.

무한대학 류항연구원, 호설교 교수팀은 일찍 지능열전기하이드로겔을 설계, 개발하여 이 하이드로겔박막을 발열소자에 붙이면 한면으로는 페열회수를 직접 전기에네르기로 전환시킬수 있고 다른 한면으로는 하이드로겔내부의 수분이 재빨리 증발하여 열량을 가져가고 부품의 온도를 낮출수 있다.이와 동시에 부품이 작업을 중지한후 하이드로겔박막은 또 주위의 공기에서 수분을 흡수하여 자발적으로 왕복리용을 실현하게 된다.

이와 함께 열전기 하이드로겔은 온도 센서에도 적용돼 온도를 측정할 수 있다.열전 하이드로겔의 열전 성능은 온도와 밀접한 관련이 있기 때문에 열전 하이드로겔의 전압차를 측정하여 온도의 변화를 확정할 수 있다.열전기 하이드로겔을 기반으로 한 이 온도 센서는 응답 속도가 빠르고 정밀도가 높은 장점을 가지고 있다.

열전기 하이드로겔의 특성과 결합하여 장후린 팀이 탐색한 열전기 하이드로겔을 이용하여 무원 웨어러블 운동 모니터링을 실현하는 것도 열전기 하이드로겔이 전망이 있는 응용 방향 중의 하나이다.

이 팀이 개발한 유연한 식용 하이드로겔 민감 유닛은 아기의 신체 표면의 생물학적 압력을 모니터링하는 데 사용할 수 있다."우리는 아기 옷과 피부에 센서를 부착하고 11개의 압력 센서를 각각 가슴, 손, 무릎, 발, 목, 등, 손목, 엉덩이 등 중점 부위에 덮었다.우리는 뒤집기, 아기 안기, 등 특정 운동 패턴의 신호를 미리 수집하고 이러한 신호 특징을 바탕으로 딥 러닝 알고리즘을 개발하여 빠르고 정확하게 알 수 있습니다다른 아기의 활동 상태."장호림 소개.

비록 국내에서 무원웨어러블 운동 모니터링에 관한 연구는 아직 상대적으로 적지만, 열전기 하이드로겔 재료는 피부나 옷에 직접 밀착할 수 있고, 민감한 단위는 크든 작든 상관할 수 있어 무원웨어러블 운동 모니터링에 무한한 가능성을 제공한다.

남개대학 마유군 교수과제팀은 인장유도결정과 열전기화학효과에 기초한 고열전기성능의 강인한 인장열전기물겔을 설계한적이 있다. 이 연구는 전통적인 준고체열전지역학강도가 낮은 제한을 극복하고 열전기에너지를 최적화하였다.고효율 열전 변환과 유연하고 신뢰할 수 있는 웨어러블 전자 기기를 설계하기 위한 실행 가능한 방안을 제공했다.

장후린은 열전기 하이드로겔 재료의 발전에 대해 자신감이 넘친다고 말했다."앞으로 우리는 기존의 연구성과에 립각하여 자신의 전문특장과 결부하여 신호전환의 안정성을 끊임없이 제고하고 더욱 적합한 신호처리계산법을 개발하여 일련의 무원지능웨어러블부품을 발전시킬것이다.산업화를 실현하는것은 가까운 장래에 있을것이라고 믿는다"고 장호림은 말했다.

　신형 겔을 연결하면 빛, 열, 전기의 전환을 실현할 수 있다

일전, 태원리공대학 전자정보와 광학공정학원 장호림교수팀은 일종의 광구동유연성열전기물겔을 제조했는데 겔부분은 폴리에틸렌알코올, 폴리메틸규산화실리콘중합물네트워크와 2가철이온/3가철이온산화환원대로 구성되였다.그 성과는 화학 공학 학보에 발표되었다.

팀원들은 전통적인 열전기 하이드로겔 재료를 기초로 광구동 유연한 열전기 하이드로겔 패치를 제조했다.이 성과는 폴리메틸실리콘 폴리머로 구성된 이중 구조를 채택했으며, 이산화규소가 덮인 금나노 입자를 섞어 국역 표면의 플라즈마 공명 효과를 이용해 광열 전환을 실현했다.하층부는 폴리에틸렌글리콜 네트워크와 2가 철이온/3가 철이온 산화 환원 쌍으로 구성된 박막이며, 폴리메틸실리콘 폴리머 입자를 섞어 열전도율을 낮춘다."가시광선의 파장은 대략 400나노미터에서 800나노미터이다. 폴리메틸실리콘 폴리머 네트워크의 금나노 입자 표면 전자의 전체 진동 주파수가 가시광선과 대략 일치하면 가시광선 사이에 공진이 발생하여 광자 에너지를 흡수하여 빛에서 열로의 전환을 실현할 수 있다."라고 장후린은 설명했다.

장호림은 다음과 같이 소개했다. 열전기물겔재료는 유기틀을 제외하고 70% 이상이 물로 구성되였다.북방 등 지역에서는 건조한 기후 조건 때문에 열전기 하이드로겔 재료가 물을 잃기 쉬워 열전기 전환 효율에 영향을 준다.

"수분이 유실되지 않도록 하는 것이 열전 하이드로겔의 성능 안정성을 높이는 관건이다."장호림은 현재 국내에서 열전 하이드로겔 재료 연구에 종사하는 팀이 상대적으로 적어 참고할 만한 경험이 상대적으로 부족하다고 말했다.이 연구에서 팀은 몇 달간의 모색을 거쳐 재료 내재 물리 화학 구조를 조정하고 외부에 봉하여 수분 증발을 방지하는 두 가지 방식을 통해 재료의 탈수율을 낮췄다.