체온 수확 '에너지 하베스터' 3D 프린팅으로…KIST, 초박막 신축 열전소자 개발

1저자인 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 3차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST· 원장 윤석진)은 직접 잉크 쓰기(DIW) 기술을 도입해 3차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 수직방향 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체를 내장한 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다.

정승준, 김희숙 소프트융합소재연구센터 박사 공동연구팀 성과다.

열전소자는 보통 2차원 필름 형태로 제작돼 수평방향으로 양 끝 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 실생활에서 열에너지는 대부분 수직방향으로 전달된다.

열전소자를 3차원 구조로 제작해 수직방향 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자 크기가 크고 형태가 불안정해 충격과 변형에 취약했다.

연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다.

우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시켜 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다.

이를 기반으로 3차원 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 고해상도 패턴을 유지했다. 또 굽힘이나 눌림 등 기계적 변형에도 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환한다. 열원 형태에 따라 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다.

해당 열전소자는 1㎠의 면적에 1°C 온도 차이만으로 0.28밀리볼트(㎷)를 발생시키다. 다른 연구 대비 약 5% 향상된 결과다. 패치형 열전소자를 가로세로 10㎠ 면적으로 제작했을 때 체온만으로 헬스케어, 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다.

정승준 박사는 “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발해 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”고 전했다.

과학기술정보통신부(장관 이종호) 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈에 후면 표지논문으로 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com