신소재공학부 교수팀,‘3D 직접 잉크 쓰기’ 기술로 초소형 열전 모듈 제작

전자기기에서 발생하는 열을 전기로 바꾸는 열전 발전기를 손톱보다 작게 만드는 기술이 개발됐다. 열전 발전을 초소형 전자기기에 적용하면 독립적 구동이 가능해 사물인터넷이나 무선 센서, 착용하는 전자기기의 시대가 본격적으로 열릴 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부의 손재성·채한기 교수팀은 열전 발전기 내의 열전 모듈을 수백 마이크로미터 크기로 작게 만드는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

연구팀에 따르면 열전 발전 모듈은 발전기 최대 출력이 모듈 내부 온도 차에 비례하기 때문에 평편한 필름 형태보다는 폭이 좁고 길이는 긴 필라멘트 형태가 유리하다.

그러나 기존에는 3D 구조인 필라멘트 형태를 마이크로미터 단위로 작게 제작할 기술이 없었다.

이에 따라 연구팀은 정교하고 미세한 입체 구조를 만들 수 있는 ‘3D 직접 잉크 쓰기’ 기술에 사용했다.

연구팀은 열전 소재 입자 크기와 분포를 조절해 고점도의 잉크를 만들었다. 개발한 잉크를 튜브(노즐)를 통해 짜내면 초소형 필라멘트 형태의 열전 모듈이 완성된다.

열전 모듈로 만든 발전기의 전력 밀도는 단위 면적(1㎠) 당 479㎼에 달하고, 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 기능뿐 아니라 전기로 열을 흡수하는 열전냉각 기능도 있기 때문이다.

또 기존 필름 형태 열전 모듈은 미세전자제어기술 공정으로만 만들어 큰 비용이 들었지만, 3D 직접 잉크 쓰기 기술로 비용 절감도 가능해졌다.

손재성 교수는 “이 기술을 쓰면 기존 2D 형태에서 탈피해 3D 형태의 초소형 열전 모듈을 값싸게 만들 수 있다”며 “효과적인 열에너지 수집과 냉각을 할 수 있어 전자 기기를 비롯한 여러 분야에서 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적 과학 저널 ‘네이처 일렉트로닉스’ 8월호 표지 논문으로 선정돼 출판됐다. 연구는 삼성전자의 삼성미래기술육성사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.