KIST-서울대 연구팀 "열전도 8배·전기생산 3배 향상…자가발전 웨어러블 기기에 적용 가능"
굴곡진 표면에도 붙일 수 있게 유연한 고분자 소재를 기반으로 열전소자를 만들어 열전달 효율을 극대화함으로써 발전 성능을 3배 이상 높이는 기술이 개발됐다. 열전소자는 소재 양쪽의 온도 차이로 생성되는 전압을 활용, 산업현장 폐열 등 버려지는 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
기존 열전소자는 단단한 금속 기반 전극과 반도체를 사용해 평평하지 않은 표면의 열원을 온전히 흡수하기 어려웠다.
한국과학기술연구원(KIST)은 1일 소프트융합소재연구센터 정승준·김희숙 박사팀이 서울대 전기정보공학부 홍용택 교수팀과 함께 무기물 기반의 고성능 열전재료를 은 나노와이어와 열전도율이 높은 금속 입자가 들어 있는 신축성 기판으로 연결, 열전소자 저항은 낮추고 유연성은 높인 고효율 신축성 열전소자를 개발했다고 밝혔다.
최근 사람 피부나 온수파이프 등에 밀착해 붙일 수 있는 유연 열전소자 개발 연구가 활발하다.
하지만 기존 유연 열전소자 연구에 주로 사용되는 기판은 열전도율이 매우 낮아 열전달 효율이 낮고 유연성이 부족해 열원과 밀착이 안 돼 열 흡수 효율도 떨어졌다.
연구팀은 무기물 기반의 고성능 열전재료인 텔루륨화비스무트(bismuth-telluride)를 은 나노와이어와 열전도율이 높은 은-니켈(Ag-Ni) 입자가 들어 있는 신축성 고분자(PDMS) 기판으로 연결해 유연하면서도 열전달 및 전력생산 효율이 높은 신축성 열전소자를 개발했다.
신축성 고분자 PDMS에 열전도율이 높은 은-니켈 입자를 넣은 다음 자가조립을 통해 수직으로 배열되게 하고, 전기전도도가 높은 은 나노와이어를 인쇄 공정으로 추가했다.
이 신축성 열전소자는 20% 이상의 신축성과 10㎜의 곡률반경 굽힘에도 견디는 등 유연성과 기계적 안정성을 보였다.
열전달 능력이 은-니켈 입자를 넣지 않은 것보다 8배 이상 향상됐고 전력 생산량도 3배 이상 증가했다. 양단의 온도차가 40℃ 일때 7㎽의 높은 전력생산 능력을 보였고, 피부 체온만으로 7㎼/㎠의 세계 최고 수준 전력밀도를 기록했다.
연구팀은 이 열전소자를 100~200㎼를 생산할 수 있게 5×5㎠ 정도로 만들면 별도 전원 없이 피부에 부착해 사용하는 자가발전 센서를 만드는 것도 가능할 것이라고 설명했다.
산업현장의 고온 감지 센서로 활용하거나 자동차 내·외부 온도 차를 이용해 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서를 만들 수 있어 고온 환경에서 폭발 위험성이 있는 배터리 기반의 센서 시스템 전원 문제도 해결할 수 있을 것으로 연구팀은 기대했다.
정승준 박사는 "이 연구는 외부 열을 이용해 고온 감지 센서 장갑 등 실제 웨어러블 기기를 동작시키는 것이 가능하다는 것을 보인 것"이라며 "향후 체온만으로도 웨어러블 디바이스를 구동시킬 수 있는 유연 열전 플랫폼을 개발할 예정"이라고 말했다. 이 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 최신호에 게재됐다.