▲ 실리콘 나노선을 이용한 유연 열전모듈 .

국내 연구진이 실리콘 나노선 유연 열전모듈을 세계 최초로 구현하고, 유기물 기반 유연 열전모듈의 열전변환 성능보다 100배 이상 향상된 고성능 유연 열전모듈을 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 지난21일 김상식 교수(고려대) 연구팀이 실처럼 가늘고 구부리기 쉬운 실리콘 나노선으로 열을 전기로 바꾸는 열전 모듈을 최초로 개발했다고 밝혔다.

열전모듈은 열을 전기로 바꾸는 소자로 열전모듈은 생활환경에서 버려지는 폐열을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 에너지 하베스팅 소자로 각광받고 있다. 특히 유연 열전모듈은 웨어러블 기기의 전원 장치 또는 메디컬 센서 전원 장치로 활용할 수 있어 주목 받고 있다

기존 벌크 열전소재는 딱딱한 특성 및 독성으로 인해 착용이 가능한 웨어러블 기기와 의료용 센서에 활용이 어려우며, 유기물 기반 열전소재 역시 낮은 전기전도도 특성으로 활용이 쉽지 않은 것으로 알려져 있다. 따라서 인체에 무해하고 열전변환 성능이 우수한 열전재료의 개발과 이를 이용한 유연 열전모듈 구현 기술이 필요했다.

이에 연구팀은 현재 사용되는 반도체 CMOS 공정을 이용해 정밀히 조절된 열전 특성을 갖는 단결정 실리콘 나노선을 제작하고 이를 구부러질 수 있는 기판에 적용한 고성능 유연 열전모듈을 구현하였다..

개발된 실리콘 나노선 열전모듈은 전자와 포논의 평균자유행로 차이를 이용하여 전기전도도의 큰 손실 없이 열전도도를 5분의 1 이하로 줄여서 열전변환 성능을 최대한 향상시켰다.

특히 구부린 상태에서도 열을 전기로 바꾸는 성능(또는 파워팩터)이 14.2mW/(m·K2)으로 나타났다. 이는 기존의 유기물 기반 유연 열전모듈보다 100배 이상 높은 것이다. 이 성능은 반복해서 구부려도 일정하게 출력 전압이 유지되었다.

김상식 교수는“이번 연구성과는 열을 전기로 바꾸는 것이 어렵다고 알려진 실리콘 반도체를 기반으로 고성능 유연 열전모듈을 최초로 구현한 것이다. 사람의 체온, 컴퓨터 열기 등 버려지는 열을 전기 에너지로 변환하여 우리 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 디바이스 전원, 피부 부착형 메디컬 센서 등에 적용될 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구성과는 미래창조과학부·한국연구재단의 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머테리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 12월 5일자에 게재됐다.