체온으로 센서 구동한다...에너지 하베스터 3D프린팅 개발

정승준·김희숙 KIST 소프트융합소재연구센터 연구팀

장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다. KIST 제공

체온 수준의 열에너지를 이용해 생체 신호나 수면 패턴 모니터링 등 헬스케어 센서, 웨어러블 센서를 구동할 수 있는 열전소자가 개발됐다. 

열전소자는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소자다. 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 ‘차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자’로 불린다. 에너지 하베스팅은 실생활에서 버려지는 에너지를 수확해 전기에너지로 만드는 기술을 의미한다.

열전소자는 보통 2차원 필름 형태로 제작돼 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보한다. 그런데 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 이런 열에너지를 확보하려면 열전소자를 3차원 구조로 제작해야 하는데, 기존 연구에서 이렇게 만든 소자는 크기가 크고 형태가 불안정하다는 취약점이 있었다. 

정승준·김희숙 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 책임연구원 연구팀은 ‘직접 잉크 쓰기(DIW)’ 기술로, 수직 방향으로 열에너지를 확보할 수 있는 단열구조체가 담긴 초박막 신축 열전소자를 개발했다. 삼차원 구조체에 프린팅하면서 열에너지를 확보할 수 있는 소자다. 

연구팀은 열전소자 내 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮고 유연성과 신축성이 큰 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 또 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산해 점도를 최적화한 잉크를 만들었다. 

3차원 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 열전소자를 제작했는데, 이는 안정적인 인쇄와 높은 해상도를 보였고 굽힘, 눌림 등 기계적 변형에도 안정적으로 전기에너지를 만들었다. 

이로써 이번 열전소자는 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구 중 가장 높은 에너지 변환 성능을 기록했다. 이는 10×10㎠(제곱센티미터) 면적으로 열전소자를 제작했을 때, 체온만으로 헬스케어 센서나 웨어러블 센서를 구동할 수 있는 수준이다. 

정 연구원은 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있다”며 “체온으로 발전이 가능한 밴드타입 열전소자 제작 또한 가능하다. 폐열을 이용한 자가발전 전자기기 대중화를 위해 노력하겠다”고 말했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 나노·소재기술개발사업, 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행됐고 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 후면표지 논문으로 실렸다. 

[문세영 기자 moon09@donga.com]