Continuous harvesting of intermittent and continuous heats by a mixed ion/electron thermoelectric generator using an ionogel blended with carbon nanotube ionogels

위대한 열 추적: 온기를 동력으로 바꾸다

당신의 몸이 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 당신이 움직이거나, 생각하거나, 심지어 그냥 앉아 있을 때조차 세포는 연료를 태우며 부산물인 '열'을 만들어냅니다. 실제로 자동차를 운전하는 것부터 차를 마시기 위해 물을 끓이는 것까지, 우리가 하는 거의 모든 일은 막대한 양의 이 열에너지를 배출합니다. 보통 이 열은 공기 중으로 그냥 흩어져 버리는데, 이는 우리가 사용할 수 없는 낭비된 선물입니다. 과학자들은 오랫동안 이 '폐열'을 붙잡아 우리의 휴대폰이나 조명을 밝히는 전기로 바꾸기 위해 노력해 왔습니다. 이 역할을 수행하는 일반적인 후보는 열전(thermoelectrics)이라 불리는 고체 재료입니다. 이것들을 열이 전자(작은 전하 입자)를 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 밀어내어 전기의 흐름을 만드는 작은 고체 다리라고 생각하면 됩니다. 하지만 문제가 하나 있습니다. 이 고체 다리들은 종종 까다롭습니다. 열이 빠르게 변할 때는 잘 작동하지만, 온도가 일정하게 유지되면 종종 전력을 생산하는 것을 멈춥니다. 마치 강물이 범람할 때는 격렬하게 돌아가지만, 수위가 적절하고 안정적이면 멈춰버리는 물레방아와 같습니다.

이제 더 새롭고 기묘한 아이디어인, 고체처럼 작동하는 액체(이오노젤(ionogels)이라 불림)를 사용하여 열을 수확하는 방법을 살펴봅시다. 이 재료들은 온도 차이가 생길 때 움직이기를 좋아하는 이온(전하를 띤 원자)들로 가득 차 있습니다. 액체의 한쪽 끝을 가열하면 이온들이 차가운 쪽으로 달려가 전압을 생성합니다. 이것은 전력을 생성하는 매우 효율적인 방법이지만, 큰 결함이 하나 있습니다. 일단 이온들이 차가운 쪽에 쌓이면 움직임을 멈추고 전기도 멈춘다는 것입니다. 이것은 마치 물 양동이가 채워지는 것과 같습니다. 양동이가 가득 차면, 양동이를 기울여 쏟아붓지 않는 한 흐름은 멈춥니다. 즉, 이러한 "이온성" 장치들은 촛불이 깜빡이는 것처럼 온도가 끊임없이 변할 때만 열을 수확할 수 있으며, 일정한 따뜻한 태양 아래에서는 침묵하게 됩니다. 과학자들이 던져온 핵심적인 질문은 이것입니다. "우리는 이동하는 이온의 초효율적인 힘을 사용하면서도, 열이 완벽하게 일정할 때조차 전기가 계속 흐르게 만드는 장치를 만들 수 있을까?"

논문의 이야기: 러너 팀과 마법의 다리

국립 싱가포르 대학교의 Yao Wang, Qi Qian, Jianyong Ouyang의 이 논문은 "네, 가능합니다!"라고 말합니다. 그들은 MTEG(Mixed Ion/Electron Thermoelectric Generator, 혼합 이온/전자 열전 발전기)라고 불리는 새로운 종류의 발전기를 만들었습니다. 이것이 어떻게 작동하는지 이해하려면 계주 경기를 상상해 보세요. 표준적인 이온 장치에서 러너들은 에너지라는 바톤을 운반하는 이온들입니다. 그들은 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 질주하지만, 결승선에 도착하자마자 갇혀버려 경기는 끝이 납니다. 저자들은 만약 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 다시 달려올 수 있는 두 번째 러너 팀—전자(또는 이 경우에는 빈 자리처럼 기다리는 '정공')—를 추가할 수 있다면, 이 경주를 영원히 지속할 수 있다는 점을 깨달았습니다.

이를 실현하기 위해 그들은 이오노젤이라는 특별한 "젤리"를 만들었습니다. 이 젤리는 젤라틴 네트워크 안에 갇힌 액체 염(EMIM:DCA)으로 만들어졌습니다. 이 젤리는 이온을 이동시키는 데 탁월합니다. 하지만 두 번째 러너 팀을 얻기 위해, 그들은 아주 가늘고 미세한 튜브인 단일 벽 탄소 나노튜브(SWNTs)를 섞었습니다. 이 탄소 나노튜브들을 젤리 속에 짜인 미세한 고속도로 시스템이라고 생각하십시오. 마법은 팀이 이 튜브들을 젤리에 딱 적절한 양만큼 섞었을 때 일어납니다.

여기서 영리한 점은 다음과 같습니다. 팀이 일정한 온도 차(뜨거운 쪽과 차가운 쪽)를 가하면, 젤리 속의 이온들이 차가운 쪽으로 달려가 거대한 전압을 생성합니다. 이것이 열에 의한 이온 이동을 뜻하는 세련된 이름인 "소레 효과(Soret effect)"입니다. 일반적인 젤리라면 이온들이 그냥 쌓여서 멈추겠지만, 이 새로운 MTEG에서는 이온이 만든 전압이 너무 강력해서 "정공"(전자 전하)을 탄소 나노튜브 고속도로를 통해 터널링하여 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 다시 달리게 만듭니다. 이것은 완벽한 루프를 만듭니다. 이온은 한 방향으로 가고, 정공은 반대 방향으로 가며, 전기는 일반적인 발전기처럼 일정하게 계속 흐릅니다. 하지만 훨씬 더 강력한 힘으로 말이죠.

발견한 것: 최적의 지점과 꾸준한 흐름

연구진은 탄소 나노튜브의 양을 달리하며 MTEG를 테스트하여, 너무 적지도 않고 너무 많지도 않은 "골디락스(Goldilocks)" 구역을 찾았습니다. 그들은 만약 나노튜브를 너무 많이 넣으면 장치가 일반적인 전자 발전기처럼 작동하여 효율이 떨어진다는 것을 발견했습니다. 반대로 하나도 넣지 않으면 기존의 이온 장치처럼 일정한 열 아래에서 작동을 멈추게 됩니다. 하지만 이 탄소 나노튜브를 아주 미세한 양인 0.10 wt%(중량 퍼센트)만큼 섞었을 때, 장치는 슈퍼스타가 되었습니다.

이 완벽한 로딩 상태에서, 장치는 온도 차이가 단 3 K(섭씨 약 3도)일 때 40 kΩ의 부하에 대해 약 29 mV의 일정한 출력 전압을 생성할 수 있었습니다. 더욱 인상적인 것은, 이 장치가 멈추지 않고 16시간 동안 꾸준히 작동했다는 점입니다. 대조적으로, 나노튜브가 없는 기존 방식의 이온 장치는 한 시간도 채 되지 않아 전압이 0으로 떨어졌을 것입니다.

팀은 "열전력(thermopower)"(재료가 열을 전압으로 얼마나 잘 바꾸는지)을 측정하였고, 그것이 11.3 mV·K⁻¹임을 발견했습니다. 이를 비교해 보자면, 이는 현재 우주 탐사선과 첨단 기기에 사용되는 최고의 고체 전자 재료들보다 10배에서 100배 더 뛰어난 수치입니다. 또한 그들은 전력 밀도를 계산하여, 그들의 최적 장치가 52.2 W·m⁻³를 생산한다는 것을 찾아냈으며, 이는 그래핀과 같은 다른 재료를 사용한 이전의 시도들보다 현저히 높은 수치입니다.

왜 중요한가 (그리고 무엇이 아닌가)

저자들은 이 장치가 무엇이 아닌지에 대해서도 매우 명확하게 밝히고 있습니다. 이것은 모든 상황에서 다른 것들보다 더 잘 작동하는 마법의 상자가 아닙니다. 그들은 이것이 단순히 오래된 이온 커패시터와 표준 전자 발전기를 붙여놓은 것이 아니라는 점을 분명히 했습니다. 대신, 그들은 두 종류의 전하(이온과 정공)가 하나의 혼합 재료 안에서 함께 작동하고 있음을 보여주었습니다. 또한 그들은 이 일정한 전력 출력이 특정 메커니즘, 즉 이온의 움직임에 의해 유도되는 정공의 "터널링"에 의존한다는 점을 명확히 했습니다. 만약 나노튜브가 너무 밀집되면 이 섬세한 균형이 깨지고, 장치는 다시 효율이 낮은 표준 전자 발전기로 돌아가게 됩니다.

이 논문은 이 접근 방식이 컴퓨터 칩, 인체, 또는 따뜻한 파이프에서 나오는 부드러운 온기처럼, 기존의 발전기로는 포착하기에 너무 약하거나 너무 일정한 "저등급" 폐열을 수확하는 문을 열어준다고 제안합니다. 저자들이 세계 에너지 위기를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 그들은 이전에 이런 종류의 재료로는 불가능하다고 여겨졌던 것, 즉 일정한 부드러운 온기를 지속적인 전기 흐름으로 바꿀 수 있는 작동 가능한 프로토타입을 입증했습니다. 핵심적인 교훈은 액체의 이온 이동 능력과 고체의 전자 이동 능력을 결합함으로써, 온도 차이가 존재하는 한 멈추지 않고 계속 돌아가는 하이브리드 엔진을 만들어냈다는 것입니다.