어디든 밀착해 높은 전력 생산하는 열전소자
어디든 밀착해 높은 전력 생산하는 열전소자
  • 함예솔
  • 승인 2020.12.01 17:30
  • 조회수 982
  • 댓글 1
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열전소자는 소재 양단의 온도 차이로 인해 생성되는 전압을 활용하는 에너지 변환 소자로 산업현장의 폐열 등 버려지는 열에너지를 실생활에서 활용 가능한 전기에너지로 변환시킵니다. 기존 열전소자의 경우 단단한 금속 기반 전극과 반도체를 사용해 유연하지 못하기 때문에 평평하지 못한 표면에서의 열원을 온전히 흡수하기 어려웠지만, 최근에는 신축성이 있어 사람의 피부나 산업 현장의 온수 파이프 등 다양한 형태의 열원에 밀착해 에너지를 생산할 수 있는 유연한 열전소자를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 

사진1. KIST-서울대 공동연구진이 자동화 공정을 통해 개발한 신축성 열전소자. 출처: KIST
 KIST-서울대 공동연구진이 자동화 공정을 통해 개발한 신축성 열전소자. 출처: KIST

한국과학기술연구원(KIST)은 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 팀이 서울대학교(서울대) 전기정보공학부 홍용택 교수와의 공동연구를 통해 유연성과 열전달 효율을 극대화하여 높은 발전 성능을 가지는 신축성 열전소자를 개발했다고 밝혔습니다. 뿐만 아니라 연구팀은 인쇄 공정을 포함한 자동화 공정을 통해 대량생산 방안도 함께 제시했습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다. 

 

유연성 높인 열전소자 

 

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 낮았습니다. 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 어려웠습니다. 

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

연구팀은 무기물기반 고성능 열전재료를 은 나노와이어가 삽입된 신축성 기판으로 연결하여 열전소자의 저항은 낮추면서 유연성을 높였습니다. 제작된 열전소자는 유연성이 뛰어나 휘어지거나 늘어나도 안정적인 동작이 가능했습니다. 또한, 신축성 기판 내부에 열전도율이 높은 금속 입자를 넣어 신축성 기판의 열전달 능력을 기존보다 800%가량 향상시키고, 전력 생산량은 3배 이상 높였습니다. 참고로 개발된 열전소자의 양 끝에 40도의 온도 차이가 있을 때는 7mW/cm2의 전력 생산하고 피부에 붙은 채로 체온만으로는 7μW/cm2의 전력을 만들어냅니다. 

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

연구진은 이와 동시에 소프트 플랫폼 공정부터 열전소자의 형성까지 복잡한 전체공정을 자동화해 개발한 소자의 대량생산까지도 가능하게 만들었습니다. 개발한 소자는 산업현장의 고온 감지 센서로 활용하거나 자동차의 내·외부의 온도 차를 이용해 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서를 만들 수 있어 고온 환경에서 폭발의 위험성이 있는 배터리 기반 센서 시스템의 전원 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대됩니다. 

정승준 박사. 출처: KIST
정승준 박사. 출처: KIST

 

 

 

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"이라며 "본 연구에서 개발된 기능성 복합재료, 열전소자 플랫폼, 고수율 자동화 공정은 향후 배터리 없는 웨어러블 기기 상용화에 기여할 수 있을 것"이라고 연구 의의를 밝혔습니다. 

 

 

 

 


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김주엽 2020-12-12 09:27:55
열전소자 가장 아깝다고 생각되는 에너지가 우리 주위에서 흔히 버려지는 열에너지였는데, 이렇게 주위에서 많이 버려지는 폐열을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 효율적인 열전소자를 우리 국내연구진분들이 개발해주셨다니, 너무나도 감사드립니다. 앞으로도 더 멋진 연구 기대하겠습니다.!

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