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  • 기사등록 2020-12-01 12:00:04
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▲ KIST-서울대 공동연구진이 자동화 공정을 통해 개발한 신축성 열전소자



[기계신문] 열전소자는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 차세대 에너지 하베스팅 기술로 각광받고 있다. 기존의 열전소자는 단단한 금속기반 전극과 반도체를 사용하여 변형이 불가능하였지만, 최근에는 부드럽고 유연한 열전소자를 이용해 사람의 피부와 같이 다양한 형태의 열원에 붙어 에너지를 생산하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.


하지만 기존의 유연 열전소자는 여전히 단단한 금속 전극을 이용하는데, 이는 열전소자의 유연성을 낮추어 복잡한 3차원의 열원에 완벽하게 붙지 못하고 공기층이 생겨 열이 열전재료에 효율적으로 전달되지 못하는 구조적 한계를 보인다.


또한 유연성을 늘리기 위해 널리 사용하는 실리콘계 신축 기판의 경우, 열전도율이 매우 낮아 열원에 완벽히 붙더라도 열전재료에 충분한 온도 차이를 만들어주지 못하게 된다. 재료의 측면에서는 유연성이 뛰어난 유기물 기반의 열전재료가 최근에 활발히 보고되고 있지만, 열전성능이 무기물에 비해 현저히 낮아 실제 웨어러블 기기에 응용할 수 없다는 한계를 갖고 있다.


그런데 최근 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀이 서울대학교 전기정보공학부 홍용택 교수팀과 공동연구를 통해 유연성과 열전달 효율을 극대화하여 높은 발전 성능을 가지는 신축성 열전소자를 개발했다. 연구팀은 인쇄 공정을 포함한 자동화 공정을 통해 대량생산 방안도 함께 제시했다.



▲ (a) 자유로운 변형이 가능한 고유연성 열전 소자의 모습, (b) 유연성 열전소자를 발광소자와 연결해 뜨거운 물체를 알려주는 자가 발전 장갑을 구현한 모습



기존의 유연 열전소자 연구에 주로 사용되는 기판의 경우 열전도율이 매우 낮아 열에너지 전달 효율이 낮았고, 유연성이 부족하여 열원과 접촉 시 공기와 같은 열 차단층이 생겨 열 흡수 효율 또한 낮았다.


이를 해결하기 위해 높은 유연성을 가지는 유기물 기반 열전소재의 개발 또한 진행되고 있지만, 기존 무기물 기반 단단한 열전소재와 비교해 현저히 낮은 성능 때문에 실제 웨어러블 기기에 응용하기 어려웠다.


연구팀은 무기물기반 고성능 열전재료를 은 나노와이어가 삽입된 신축성 기판으로 연결하여 열전소자의 저항은 낮추면서 유연성을 높였다. 제작된 열전소자는 유연성이 뛰어나 휘어지거나 늘어나도 안정적인 동작이 가능했다.


또한, 신축성 기판 내부에 열전도율이 높은 금속 입자를 넣어 신축성 기판의 열전달 능력을 기존보다 800%가량 향상시키고, 전력 생산량은 3배 이상 높였다. 연구팀은 이와 동시에 소프트 플랫폼 공정부터 열전소자의 형성까지 복잡한 전체공정을 자동화하여 개발한 소자의 대량생산까지도 가능하게 만들었다.



▲ (a) 고유연성 고성능 열전 소자의 모식도, (b) 열전달이 뛰어난 소프트 전극 플랫폼의 모식도, (c) 소프트 플랫폼 내에서 정렬된 금속 입자가 열전달 경로를 형성한 모습



개발한 소자는 산업현장의 고온 감지 센서로 활용하거나 자동차의 내외부의 온도 차를 이용하여 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서를 만들 수 있어 고온 환경에서 폭발의 위험성이 있는 배터리 기반 센서 시스템의 전원 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.


KIST 정승준 박사는 “이번 연구를 통해 외부의 열을 이용하여 고온 감지 센서 장갑 등 실제 웨어러블 기기를 동작시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었고, 향후에는 체온만으로도 웨어러블 디바이스를 구동시킬 수 있는 유연 열전 플랫폼을 개발할 예정”이라며 “이번에 개발된 기능성 복합재료, 열전소자 플랫폼, 고수율 자동화 공정은 향후 배터리 없는 웨어러블 기기 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.


이번 연구에서 개발한 유연 열전소자는 뛰어난 유연성을 갖고 있어 웨어러블 기기가 겪게 되는 다양한 변형에서도 안정적으로 동작할 뿐 아니라, 복잡한 열원에 빈틈없이 붙어 높은 열전효율로 실제 웨어러블 기기를 동작시킬 수 있다는 가능성을 보여주었다.



▲ KIST 조현 학생연구원(좌), 이병문 박사(우)가 자유로운 변형이 가능하고 피부에 밀착 가능한 유연 열전소자의 유연성을 테스트하고 있다.



특히, 소프트 플랫폼 형성부터 열전소자의 구현에 걸쳐 모든 공정이 높은 수준으로 자동화되어 있어, 대면적 고밀도의 신축성 열전소자를 높은 수율로 제작할 수 있다는 점에서 자가발전 웨어러블 기기를 위한 유연 열전소자의 상용화에 크게 기여할 것으로 보인다.


인간의 피부를 모사한 전자피부(electronic skin) 기술과 결합하면, 외부 전원이 필요 없는 소프트 로봇 등의 응용이 가능하다. 또한 이번 연구에서 개발하고 제안한 소프트 열전달 플랫폼과 이를 위한 자가 조립(self-assembled) 복합재료는 다양한 열전재료와 결합하여 응용하거나, 열관리가 필요한 신축성 회로 등에 유용하게 활용이 가능할 것으로 기대된다.


한편, 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 창의형 융합연구사업, 글로벌프런티어사업으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’ 최신 호에 게재되었다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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