울산과학기술원(UNIST)이 전자 기기가 구동될 때 발생하는 열을 전기로 바꾸는 열전 발전기를 손톱보다 더 작게 만드는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
UNIST 신소재공학부 손재성·채한기 교수 연구팀은 열전 발전기 내 열전 모듈을 수백 마이크로미터(㎛·100만분의 1ｍ) 크기로 작게 만드는 데 성공했다.
열전 발전 모듈은 발전기 최대 출력이 모듈 내부 온도 차에 비례하기 때문에 평편한 필름 형태보다는 폭이 좁고 길이는 긴 필라멘트 형태가 유리하다. 하지만 그동안에는 3D 구조인 필라멘트 형태를 마이크로미터 단위로 작게 제작할 기술이 없었다.
연구팀은 정교하고 미세한 입체 구조를 만들 수 있는 ‘3D 직접 잉크 쓰기(3D direct ink writing)’ 기술에 사용했다. 이 기술에 적합한 열전 소재 잉크 개발이 관건이었는데 연구팀은 열전 소재 입자 크기와 분포를 조절해 고점도의 잉크를 만들었다.
개발한 잉크를 튜브(노즐)를 통해 짜내기만 하면 초소형 필라멘트 형태의 열전 모듈이 완성된다.
개발된 열전 모듈로 만든 발전기의 전력 밀도는 단위 면적(1㎠)당 479㎼(마이크로와트)에 달하며 온도 차는 최대 82.9도를 유지했다. 이는 현재까지 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차이다.
이 열전 모듈은 밀폐된 초소형 전자 기기의 발열 문제 해결에도 사용할 수 있다. 열전 소재는 열로 전기를 만드는 발전 기능뿐만 아니라 전기로 열을 흡수하는 열전냉각 기능도 있기 때문이다. 기존 필름 형태 열전 모듈의 경우 미세 전자제어 기술 공정으로만 만들 수 있어 비용이 많이 들었는데 3D 직접 잉크 쓰기 기술로 비용 절감도 가능하다.
손 교수는 “이 기술을 쓰면 기존 2D 형태에서 탈피해 3D 형태의 초소형 열전 모듈을 값싸게 만들 수 있다”며 “효과적인 열에너지 수집과 냉각이 가능해 전자 기기를 비롯한 여러 분야에서 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구는 ‘네이처 일렉트로닉스’ 8월호 표지 논문으로 선정됐다.
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