UNIST 손재성 교수팀, 3D 직접 잉크 쓰기로 고출력 마이크로 열전 모듈 제작
폐열로 초소형 전자기기 자체 전원 공급 · 열전냉각도 활용
국제학술지 'Nature Electronics' 표지 논문으로 출판

직경이 약 1.9mm인 1센트 동전 위에 올려진 초소형 열전 모듈

AD

원본보기 아이콘

[아시아경제 김봉수 기자] 전자 기기가 작동될 때 나는 열을 다시 전기로 바꿔 주는 손톱보다 작은 발전기가 개발됐다. 별도의 전기 공급없이 독립적인 구동이 가능해 사물인터넷이나 무선 센서, 웨어러블 ICT 기기에 적극 활용될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학부의 손재성·채한기 교수팀이 열전 발전기내의 열전 모듈을 수백 마이크로미터(10-6m,μm) 크기로 작게 만드는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 3D 직접 잉크 쓰기를 할 수 있는 열전 소재 잉크를 개발한 덕분이다. 개발한 잉크를 튜브(노즐)를 통해 짜내기만 하면 초소형 필라멘트 형태 열전 모듈이 완성된다.

열전 발전 모듈은 평편한 필름 형태 보다는 폭은 좁고 길이는 긴 필라멘트 형태가 더 좋다. 발전기 최대 출력이 모듈 내부의 온도차에 비례하기 때문이다. 하지만 기존에는 3D 구조인 필라멘트 형태를 마이크로미터 단위로 작게 제작할 기술이 없었다.

연구팀은 3D 직접 잉크 쓰기(3D direct ink writing) 기술에 주목했다. 3D 직접 잉크 쓰기 기술은 손 글씨를 써내듯 정교한 동시에 미세한 입체 구조를 만들 수 있는 기술이다. 3D 직접 잉크 쓰기에 적합한 열전 소재 잉크 개발이 관건이었는데, 열전 소재 입자 크기와 그 분포를 조절해 고점도의 잉크를 만들 수 있었다. 또 입자 표면 전하 조절로 바인더를 첨가한 이후에도 점도 감소가 없었다. 강도 강화를 위해 넣는 바인더는 점도를 떨어뜨리는 문제가 있었다. 점도가 높아야 출력할 때 모양이 잘 유지된다.

개발된 마이크로 열전 모듈로 만든 발전기의 전력 밀도는 단위 면적(1㎤)당 479 μW(마이크로 와트)에 달하며, 온도 차는 최대 82.9 °C를 유지할 수 있다. 이는 현재까지 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차이다.

이 열전 모듈은 밀폐된 초소형 전자기기의 발열 문제 해결에도 쓸 수 있다. 열전소재는 열로 전기를 만드는 발전 기능뿐만 아니라 전기로 열을 흡수하는 열전냉각 기능도 있기 때문이다. 또 기존 필름 형태 초미세 열전 모듈의 경우 미세전자제어기술(MEMS) 공정으로만 만들 수 있어 비용도 비쌌는데, 3D 직접 잉크 쓰기 기술로 비용 절감이 가능하다.

개발된 열전잉크는 필라멘트 형태뿐만 아니라 아치형, 3D 격자 구조 같이 복잡한 형태도 만들 수 있다. 또 열전 필라멘트의 크기는 3D 프린터 노즐 크기와 도포 압력에 따라 180 마이크포미터에서 810 마이크로미터 까지 조절 가능하며, 최대 9.4의 종횡비(가로 세로 비율)를 갖도록 제작할 수 있다.

손 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. 채 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 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 8월호 표지 논문으로 선정돼 출판됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr

AD

꼭 봐야할 주요뉴스

'신의 직장'이라더니 진짜였네…평균 연봉 1억에 ... 마스크영역

• 20대 사망 사고 전 창원NC파크 구조물 탈착 정황…경찰 "과실 여부 수사"
• "저는 OOO점주입니다"…백종원 방송중단 선언 3주 만에 유튜브 재개
• 눈가 멍든 채 백악관 나타난 머스크…"아들과 장난치다 그만"
• "예뻐질래" 성형하느라 자리비운 대통령…탄핵 촉구하는 페루

<ⓒ투자가를 위한 경제콘텐츠 플랫폼, 아시아경제(www.asiae.co.kr) 무단전재 배포금지>