수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능
맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성

열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. ‘에너지 하베스팅’이란 태양광, 폐열, 진동, 전자파, 중력 등의 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지 중 쓰지 않고 버려지는 것을 수확하여 전기에너지로 변환해 저장하거나 사용하는 기술이다.

최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 ‘직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술’을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다.

‘직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술’이란 시린지에 잉크를 채운 후 공압이나 기계적 힘으로 잉크를 밀어내어 노즐을 통과시킴으로써 패턴을 형성하는 프린팅 방식이다.

열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다.

KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다.

이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다.

이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다.

또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다.

해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2) 1cm2의 면적에서 1도의 온도 차이만으로도 0.28 mV를 발생. 다른 연구 대비 약 5% 향상된 결과임을 기록했다.

이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다.

정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”고 전했다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover, 논문명 : All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency)으로 게재되었다.