성능저하 문제 해결해 고효율 유연 열전소자 생산 가능성 열려
스마트 밴드 등 각종 웨어러블 전자기기들을 정기적으로 충전하는데 불편함을 해소할 새로운 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장 연구팀이 체온을 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전소자를 개발했다고 3일 밝혔다.
이 소자는 유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 제작해 열 차단 능력을 확보했고 이를 뼈대로 활용 소자 성능을 획기적으로 향상하는 데 성공했다.
열전소자는 소자 양끝단의 온도 차를 이용해 전기를 생산할 수 있는 전자소자로 자동차의 엔진 열이나 발전소의 폐열 등에서 전기를 생산하는 친환경 에너지 발전기로 활용된다.
반대로 전기를 공급하면 소자의 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 열이 발생하는 데 이를 이용해 소형 냉장고, 자동차 냉방 시트, 반도체 장치 등 온도제어 시스템에서도 사용되고 있다.
일반적으로 사용되고 있는 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판이 열전반도체를 받치고 있어 굴곡이 있는 곳에 활용하기 어렵다.
하지만 유연 열전소자는 세라믹 기판이 없이 유연한 고분자 소재가 열전반도체를 감싸고 있어 쉽게 구부러뜨릴 수 있다.
이를 인체에 부착하면 반영구적으로 전기를 생산할 수 있고, 반대로 휴대용 에어컨으로 활용할 수 있어 인체 부착 전자기기 분야에서 주목을 받아왔다.
그러나 유연한 기판인 고분자 소재는 열전도도가 높아 소재 양단의 열을 차단하지 못해 단단한 기판의 상용 열전소자만큼 성능을 발휘하지 못한다는 치명적인 문제점이 있었다.
KIST 연구진은 각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후, 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다.
그 결과 원래 설탕이 있던 자리는 미세한 공기 방울로 변해 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 됐다.
이 기판을 열전소자를 지지하는 뼈대로 사용해 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 유연 열전소자를 개발했다.
연구진이 개발한 유연 열전소자는 기존 유연 열전소자 대비 20% 이상 우수한 성능을 보였다. 이는 기존 상용화된 소자와 동일한 수준이다.
연구진은 개발한 유연 소자를 활용하여 체온으로 LED를 점등하는 데 성공했다.
김진상 KIST 전북분원장은 “각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 통해 유연 열전소자의 효율을 상용 열전소자 수준으로 끌어올렸다”며 “충분한 양의 열전소자를 활용하면 체온만으로 스마트 밴드 구동도 충분히 가능할 것”이라고 기대했다.
이번 연구 결과는 국제 저널인 ‘Nano Energy’(IF : 16.602, JCR 분야 상위 4.299%)의 3월 호에 게재됐다.
