동전보다 작은 발전기를 만들었다

UNIST, 3D 프린팅으로 열전 모듈 생산기술 개발
소형 전자기기의 발열로도 자체 전원 공급 가능

UNIST 신소재공학부 손재성·채한기 교수팀이 3D프린팅을 이용해 동전보다 작은 초소형 열전 발전기를 만들었다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 열을 전기로 바꿀 수 있는 열전 발전기를 동전보다 작게 만들었다. 이 열전발전기는 사물인터넷이나 무선센서, 착용하는 전자기기에 적용할 수 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학부 손재성·채한기 교수팀이 3D프린팅을 이용해 초소형 열전 모듈을 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

초소형 열전 모듈로 만든 발전기는 전력 밀도가 1㎠당 479㎼(마이크로 와트)에 달하며, 온도 차는 최대 82.9도를 유지할 수 있다. 연구진은 "현재까지 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차이"라고 설명했다.

또 이 열전 모듈은 밀폐된 초소형 전자기기의 발열 문제 해결에도 쓸 수 있다. 열전소재는 열로 전기를 만드는 발전 기능뿐만 아니라 전기로 열을 흡수하는 열전냉각 기능도 있다.

손재성 교수는 "개발한 기술을 쓰면 기존 2D 형태의 초소형 열전 모듈에서 탈피해, 3D 형태의 초소형 열전모듈을 값싸게 만들 수 있다"며 "효과적인 열에너지 수집과 냉각이 가능해 전자기기를 비롯한 여러 분야에서 쓰일 수 있을 것"이라고 기대했다.

비스무스 텔루라이드와 바인더가 첨가된 3D용 잉크를 이용해 열전 모듈을 만들 수 있다. UNIST 제공

연구진은 3D 직접 잉크 쓰기 기술에 주목했다. 비스무스 텔루라이드와 바인더를 첨가해 3D용 잉크를 만들었다. 3D 직접 잉크 쓰기 기술은 손 글씨를 써내듯 정교한 동시에 미세한 입체 구조를 만들 수 있는 기술이다.

개발한 잉크를 튜브(노즐)를 통해 짜내기만 하면 초소형 필라멘트 형태 열전 모듈이 완성된다.

연구진은 기존 필름형 초미세 열전 모듈의 경우 미세전자제어기술(MEMS) 공정으로만 만들 수 있어 비용도 비싼 반면, 3D 직접 잉크 쓰기 기술로 비용 절감이 가능하다고 설명했다.

이렇게 만든 열전잉크는 필라멘트 형태뿐만 아니라 아치형, 3D 격자 구조 같이 복잡한 형태도 만들 수 있다.

또 3D 프린터 노즐 크기와 도포 압력에 따라 180마이크로미터에서 810마이크로미터까지 열전 필라멘트의 크기 조절이 가능하다. 최대 9.4의 종횡비(가로세로 비율)를 갖도록 제작할 수 있다.

채한기 교수는 "기존 제작공정으로는 이 정도로 큰 종횡비를 갖는 열전 모듈 제작이 불가능하다"며, "소재 물성 저하 없이 첨단 소재를 원하는 초미세 구조로 만들 수 있다는 점이 개발한 3D 프린팅 기술의 차별성"이라고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 원자력공학과 안상준 교수, 신소재공학과 차채녕 교수, 한국재료연구원 김경태 박사가 참여했으며, 세계적 과학저널 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 8월호 표지논문으로 선정됐다.

연구 진행은 삼성전자의 삼성미래기술육성사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

UNIST 신소재공학부 손재성·채한기 교수팀의 초소형 열전 발전기 개발 성과가 세계적 과학저널 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 8월호 표지논문으로 선정됐다. UNIST 제공

[e-mail] 김만기 기자