KIST, 체온 남김없이 수확하는 열전소자 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 체온에서 버려지던 에너지까지 수확해 에너지 변환·저장 장치로 활용할 가능성을 제시했다.

정승준 한국과학기술연구원 책임연구원.(사진=한국과학기술연구원)

한국과학기술연구원(KIST)의 정승준, 김희숙 소프트융합소재연구센터 박사 공동 연구팀은 직접 잉크 쓰기 기술을 도입해 삼차원 구조체에 직접 프린팅하면서 효율적으로 수직 방향으로 열에너지를 확보할 수 있는 초박막 신축 열전소자를 개발했다.

열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 바꾸는 소자를 뜻한다. 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있기 때문에 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다.

열전소자는 보통 2차원 필름 형태로 만든다. 주로 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데 이와 반대로 생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작해 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 시도가 있었지만 소자 크기가 크고 형태가 안정되지 못했다.

연구팀은 열전소자 속에서 온도 차이를 높이기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 우수한 열전 특성을 지닌 탄소나노튜브 잉크를 용매에 균일하게 분산시켜 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 갖는 잉크를 제작했다.

그 결과, 열전소자는 안정적인 인쇄를 하고, 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형에서도 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 바꿔 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 떨어지는 한계를 극복했다.

기존 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 다른 연구 대비 5% 효율을 높였다. 앞으로 패치형 열전소자를 제작해 체온만으로 헬스케어 센서나 웨어러블 센서를 구동시킬 수도 있다.

정승준 박사는 “패치형 열전소자를 구현하는 기초기술로 체온으로 발전 가능한 밴드타입의 열전소자도 제작할 수 있다”며 “지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발해 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.

한국과학기술연구원의 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원(오른쪽)이 직접인쇄공정으로 만든 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다.(사진=한국과학기술연구원)