체온으로 전기 생산한다… 화학연구원, 인쇄 공정으로 간단하게 만들 수 있는 유연한 열전 소재 개발

인쇄공정을 통해 유연한 열전소자를 만들 수 있는 용액형 열전소재 원천기술 개발
국제 학술지인 Advanced Functional Materials 표지 논문 선정

조성윤 박사

열전 소자 이미지(동전 크기 비교)

한국화학연구원은 조성윤 박사 연구팀이 열을 전기 에너지로 바꾸어주는 새로운 유연 열전 소재를 개발했다고 13일 밝혔다. 기존 열전 소재의 단점인 공기 중 취약성을 극복하고 인쇄 공정으로 간단하게 만들 수 있는데다 유연하게 휘어지는 특성도 가지고 있어, 향후 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 새로운 가능성을 열었다.

열전 소재는 주변의 열을 전기 에너지로 바꾸거나, 반대로 전기에너지로 온도를 낮추거나 올릴 수 있는 소재다. 일상생활 속에서 와인냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등에 쓰인다. 특히 사람의 체온으로 전기에너지를 발생시키면 웨어러블 기기의 자가전원으로 쓸 수 있기 때문에 미래 활용도가 높다.

그러나 지금까지 전기로 온도를 바꾸는 소재는 상용화가 많이 된 반면, 열을 전기로 바꿔주는 열전 소재는 잘 사용되지 않았다. 현재 쓰이는 소재의 제조 공정이 까다롭고 복잡해 만들기 어렵고, 효율이 낮으며 값이 비싸기 때문이다.

또 공기 중에서 쉽게 산화*되어 대기 안정성이 취약하고 깨지기 쉬우며 유연하게 만들기 힘들다. 인체에 독성이 있으며 물질의 매장량도 부족하다는 문제점도 있다.

따라서 기존 소재를 대체하고 상업화를 확대할 수 있는 새로운 열전 소재 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 그 중 ‘흑린’ 이라는 소재가 주목받고 있는데, 흑린*은 지구에 풍부한 원소인 ‘인(P)’으로 만들기 때문에 고갈 우려가 없고 인체에 무해하다.

그러나 흑린 자체만으로는 공기 중에서 쉽게 산화되어 안정성이 떨어지고 전기전도도가 낮아서 이와 관련한 추가 연구가 필요한 상황이다.

연구팀은 흑린 덩어리를 얇은 층의 판으로 떼어낸 후 표면에 금 나노입자를 결합시켜, 공기 중 안정성을 높이고 전기전도도를 획기적으로 향상시킨 새로운 소재를 개발했다.

새로운 소재는 용액 인쇄 공정으로 만들 수 있어 제조 공정이 단순하고, 유연하게 휘어질 수 있다.

연구팀은 물과 에탄올의 혼합 용매*에 흑린판과 금 나노입자 전구체를 분산시켜 화학반응을 통해 금 나노입자가 흑린판 표면에 결합될 수 있도록 했다.

흑린판 표면에 금 나노입자가 결합되면 흑린판과 공기와의 접촉을 막아주어 흑린이 공기 중에서 쉽게 산화되지 않고 안정적으로 오래 있을 수 있다.

잉크젯_프린팅을 통한 소자 제작과정

◆용어설명
*용매 : 용액을 만들 때 어떤 물질을 녹이는 액체
*흑린 : 반도체 소재 중 전하 이동도가 우수한 인(P) 원소로 구성된 2차원 물질
*전구체 : 어떤 물질의 전 단계 물질



[e-mail] 조석장 기자