유연성과 열전달 효율을 극대화하는 신축성 열전소자를 개발한 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터팀 등 국내연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최신호에 게재됐다./ⓒ네이처 커뮤니케이션즈·KIST

[ATN뉴스=이기종 기자] 한국과학기술연구원(KIST)은 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀이 서울대학교 전기정보공학부 홍용택 교수와의 공동연구를 통해 유연성과 열전달 효율을 극대화하는 신축성 열전소자를 개발했다고 1일 밝혔다.

열전소자(thermoelectric generator)는 압전소자(piezoelectric generator), 마찰전기소자(triboelectric generator) 등의 다른 에너지 하베스팅 소자가 불안정한 파형을 보여주는 것과 다르게 온도차에 해당하는 안정적인 전압을 생산한다는 점에서 배터리 없는 자가 발전(self-powered) 웨어러블 기기의 핵심 기술로 각광 받고 있다.

기존 열전소자의 경우 단단한 금속 기반 전극과 반도체를 사용해 유연하지 못하기 때문에 평평하지 못한 표면에서의 열원을 온전히 흡수하기 어려웠다.

최근에는 신축성이 있어 사람의 피부나 산업현장의 온수 파이프 등 다양한 형태의 열원에 밀착해 에너지를 생산할 수 있는 유연한 열전소자를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

또 기존의 유연 열전소자 연구에 주로 사용되는 기판의 경우 열전도율이 매우 낮아 열에너지 전달 효율이 낮았고 유연성이 부족해 열원과 접촉 시 공기와 같은 열 차단층이 생겨 열 흡수 효율도 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.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 무기물기반 고성능 열전재료를 은 나노와이어가 삽입된 신축성 기판으로 연결해 열전소자의 저항은 낮추면서 유연성을 높이는 연구를 진행했다.

이 연구결과에 의하면 신축성 기판 내부에 열전도율이 높은 금속 입자를 넣어 신축성 기판의 열전달 능력을 기존보다 800% 가량(1.4 W/mK) 향상시키고 전력 생산량은 3배 이상 높였다.

이와 동시에 소프트 플랫폼 공정부터 열전소자의 형성까지 복잡한 전체공정을 자동화해 개발한 소자의 대량생산까지도 가능하게 만들었다.

KIST 정승준 박사는 “본 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”이라고 말했다.

이 연구는 KIST 주요사업과 한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 창의형 융합연구사업, 글로벌프런티어사업으로 수행됐고 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최신호에 게재됐다.

에이티엔뉴스 이기종 기자  dair0411@gmail.com

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