KAIST 연구진 "레이저빔 공정…프린팅 기반 유연 열전소자 중 최고 효율"
국내 연구진이 체열은 물론 온수관이나 자동차 등 열이 발생하는 각종 장치에서 나오는 열로 전기를 생산할 수 있는 고성능 유연(flexible) 열전소자를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 조병진 교수와 신소재공학과 이건재 교수팀은 18일 스크린 프린팅 공정과 레이저빔 공정을 이용해 전자기기 전력공급원으로 사용할 수 있는 고성능 유연 열전소자를 제작하는 공정을 개발했다고 밝혔다.
# 폐열 이용한 재생에너지 산업에 응용
열전소자(Thermoelectric device)는 열에너지를 전기에너지로 전환해주는 소자로 폐열을 이용한 재생에너지 산업에서 응용 가능성이 커 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
그러나 기존 상용 열전소자는 양면에 단단하고 무거운 세라믹 기판이 있어 휘어지지 않고 무거워서 굴곡이 있는 열원에 부착해 사용하기 어려운 단점이 있다.
# 레이저빔 조사,간편하고 안정성이 우수
연구진은 쿼츠(quartz) 기판 위에 스크린 프린팅 공정으로 열전 후막을 형성한 뒤 레이저빔을 열전소자 양면에 조사해 딱딱한 쿼츠 기반을 완전히 분리하는 공정을 개발, 쉽게 휘어지는 유연 열전소자를 만들었다.
이들은 레이저빔을 이용한 기판 박리기술은 30나노초(ns=10억분의 1조)의 매우 짧은 시간 레이저빔을 조사하기 때문에 니켈 박리 기술보다 간편하고 공정 안전성이 높으며 열전소자의 경량화와 유연화를 동시에 달성할 수 있다고 설명했다.
또 이 유연 열전소자는 스크린 프린팅으로 형성되는 열전후막 공정의 최적화로 성능이 더욱 개선됐다고 연구진은 밝혔다.
# 전력밀도 가장 우수
이 유연 열전소자는 온도 차 25도에서 단위면적당 발전량 4.78㎽/㎠, 단위 무게당 발전량 20.8㎽/ｇ로 최근 보고된 프린팅 기반 유연 열전소자 중 전력밀도가 가장 높은 것으로 확인됐다.
특히 이 유연 열전소자는 유연성 시험에서 8천번 휘었다가 편 뒤에도 내부저항치가 10% 이하로 유지될 정도로 우수한 유연성과 발전성능을 보였다.
논문 제1저자인 김선진 박사는 "유연 열전소자는 잘 휘어져 굴곡이 있는 인체, 자동차, 항공기, 발전소, 산업현장 등 다양한 열원에 쉽게 부착해 전기를 생산할 수 있어 활용성이 매우 넓다"며 "유연 열전소자를 센서 등 각종 무선 전자기기의 전원으로 사용할 수 있을 것"이라고 말했다.
한국연구재단 선도연구센터지원사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 나노분야 국제학술지 'ACS 나노'(ACS Nano, 2016년 12월 27일 자)에 게재됐다.