▲ ▲한국기계연구원 한승우 박사가 최근 개발한 박막형 열전소자를 들고 있다.. ▲한국기계연구원 한승우 박사가 최근 개발한 박막형 열전소자를 들고 있다.

체온으로 전기를 공급할 수 있을 정도로 세계적 수준의 박막 열전 기술과 이를 이용한 초소형 열전 발전소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국기계연구원(원장 최태인) 나노역학연구실 한승우 박사팀은 지식경제부 중대형 에너지자원기술개발사업인 ‘열전 나노구조체 박막 소재 및 모듈화 기술개발’ 연구사업을 통해 진공증착법을 이용한 열전박막을 개발했다고 4일 밝혔다.

연구진은 증착온도와 압력, 열처리 조건 등의 공정 조건을 최적화해 세계 최고 수준의 열전박막 효율을 달성했다. 지금까지 발표된 독일 마이크로펠트(Micropelt)의 Bi-Te 박막(N-type)과 Bi-Sb-Te 박막(P-type)의 파워펙터(power factor)는 각각 3mW/K²m와 4 mW/K²m 였으나 새로 개발된 열전박막은 각각 3.07mW/K²m와 4.41mW/K²m의 파워펙터를 나타냈다.

개발된 열전 발전소자는 주위의 열을 모아 전기에너지로 바꾼다. 이에 신체에 착용해 원격으로 건강 상태를 측정하는 건강진단시스템의 전원 장치에 이용하면 사람의 체온으로 전원을 공급할 수 있게 된다.

또한 지능형 플랜트, 스마트 빌딩, 수송기계 등에 있어서 고온, 고전압이거나 땅 밑, 지상 높은 곳 등 전지를 교환하기 힘든 환경에서 쓰이는 모니터링시스템의 무선센서에도 적용할 수 있다.

이밖에도 열에서 전기가 발생하는 에너지 변환 원리를 거꾸로 이용하면 열 흐름이 발생, 국부적인 냉각에 이용할 수 있다. 이는 스마트폰, 태플릿 PC, 마이크로 패키지 등 휴대용 전자제품이 최근 얇고 소형화되고 LED 조명 등이 보편화 되면서 수요가 늘어난 국소 냉각(hot spot cooling) 기술 등에 응용될 수 있다.

연구책임자인 한승우 박사는 “활용 분야가 무궁무진한 박막 열전 기술은 그동안 효율이 낮아 산업분야에 적용되지 못했다”며 “소자설계, 박막소재, 소자공정, 측정평가 등 제품개발에 필요한 모든 요소기술을 포함하는 박막형 열전 기술을 확보함으로써 관련 제품의 상용화를 앞당기는데 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 ‘Microelectronic Engineering’ 등의 저널에 5편의 SCI 논문이 게재됐으며, 3건의 국내특허가 등록됐고 1건의 국제특허가 출원 중이다.

한편 시장조사 전문기업인 IDTechEx에 따르면 바람, 태양광, 온도변화, 진동 등 주변환경으로부터 에너지를 얻는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)의 응용기기 시장규모가 연평균 21.87%씩 증가해 2020년 43억7000만달러 규모에 이를 것으로 전망된다. 이중 열전소자 분야의 시장 규모는 2억3600만달러로 추정된다.