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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.
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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.