직경이 약 1.9mm인 1센트 동전 위에 올려진 초소형 열전 모듈. UNIST 제공전자 기기가 구동하면서 발생하는 열을 전기로 바꾸는 것이 열전 발전기다. 이 발전기를 손톱보다 더 작게 만드는 기술이 개발됐다.
사물인터넷이나 무선 센서, 착용하는 전자기기 시대가 더 앞당겨질 것으로 보인다.
UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 신소재공학부 손재성·채한기 교수팀은 1일 열전 발전기내의 열전 모듈을 수백 마이크로미터(10-6m,μm) 크기로 작게 만드는데 성공했다.
이번 기술의 핵심은 3D 직접 잉크 쓰기를 할 수 있는 열전 소재 잉크 개발에 있다. 개발한 잉크를 튜브(노즐)를 통해 짜내기만 하면 초소형 필라멘트 형태의 열전 모듈이 완성되는 것이다.
연구팀은 3D 직접 잉크 쓰기(3D direct ink writing) 기술에 주목했다. 3D 직접 잉크 쓰기 기술은 손 글씨를 써내듯 정교한 동시에 미세한 입체 구조를 만들 수 있다.
때문에 3D 직접 잉크 쓰기에 적합한 열전 소재 잉크 개발이 관건인데, 열전 소재 입자 크기와 그 분포를 조절해 고점도의 잉크를 만들 수 있었다.
또 입자 표면 전하 조절로 바인더를 첨가한 이후에도 점도 감소가 없었다. 점도가 높아야 출력할 때 모양이 잘 유지된다.
열전 소재 입자 크기 및 분포도, 표면 산화막 형성 여부에 따른 3D 잉크 특성. UNIST 제공 그동안 강도 강화를 위해 넣는 바인더는 점도를 떨어뜨리는 문제가 있었다.
개발된 마이크로 열전 모듈로 만든 발전기의 전력 밀도는 단위 면적(1cm2)당 479 μW(마이크로 와트)에 달한다.
온도 차는 최대 82.9 °C(도씨)를 유지할 수 있다. 이는 현재까지 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차이다.
이 열전 모듈은 밀폐된 초소형 전자기기의 발열 문제 해결에도 쓸 수 있다. 열전소재는 열로 전기를 만드는 발전 기능뿐만 아니라 전기로 열을 흡수하는 열전냉각 기능도 있기 때문이다.
또 기존 필름 형태 초미세 열전 모듈과 달리 3D 직접 잉크 쓰기 기술은 비용 절감이 가능하다.
손재성 교수는 "개발한 기술을 쓰면 기존 2D 형태의 초소형 열전 모듈에서 탈피해 3D 형태의 초소형 열전모듈을 값싸게 만들 수 있다"며 "효과적인 열에너지 수집과 냉각이 가능해 전자기기를 비롯한 여러 분야에서 쓰일 수 있을 것"이라고 했다.
UNIST 원자력공학과 안상준 교수, 신소재공학과 차채녕 교수, 한국재료연구소김경태 박사가 참여한 이번 연구는 세계적 과학저널 '네이쳐 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 8월호 표지논문으로 선정됐다.
사진 왼쪽부터 손재성 · 채한기 교수. UNIST 제공