김상식 교수팀, 체온으로 전기를 발생시키는 나노입자 박막 열전소자 개발

▲ 공과대학 전기전자공학과 김상식 교수

공과대학 전기전자공학과 김상식 교수 연구팀은 체온으로 전기에너지를 생산할 수 있는 나노입자 박막 기반의 유연 열전모듈을 개발에 성공하였다고 밝혔다. 본 연구팀의 연구 결과는 국제저명학술지 '어드밴스드 에너지 머테리얼즈'(Advanced Energy Materials. IF=16.7, Energy 분야 상위 2.7%) 온라인판에 'Large Voltage

Generation of Flexible Thermoelectric Nanocrystal Thin Films by Finger Contact'의 논문 제목으로 7월 18일에 소개되었다.

열전 모듈은 체온 또는 실생활이나 산업에서의 폐열을 이용하여 열에너지를 전기에너지로 전환해주는 소자로서 차세대 신재생 에너지원으로서 주목 받고 있다. 군사분야, 우주항공분야에서는 일찍이 열전모듈이 활용되어 왔지만 좀 더 실생활과 가까운 분야들에서 활용되기 위해서는 열전모듈의 집적화가 필수적이다. 이에 김상식 교수 연구팀은 펠렛 또는 마이크로 단위 박막으로 이루어진 기존 나노물질 열전모듈과는 달리 나노단위의 두께와 마이크로 단위의 길이와 폭을 가진 초박막 나노입자 열전모듈을 개발하였다. 본 연구팀에서는 1 mm2의 면적에 40개의 pn쌍으로 구성된 나노입자 박막 열전모듈을 제작하여, 대기 중에서 10도의 온도차이로부터 0.65 V라는 큰 전압을 얻음으로써 열전모듈의 실생활 적용에 한발자국 더 다가섰다.

또한, 본 연구팀이 개발한 초박막 나노입자 열전모듈은 체온으로 0.17 V의 전압을 발생시킬 수 있는 프런티어 열전소자로, 주변 어디에나 존재하는 미소 열에너지만을 활용하여 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 체온만으로 충분한 발전이 가능하게 된다면 피부에 부착 할 수 있는 메디컬 센서 또는 IoT의 기반이 되는 다양한 센서들의 반영구적 전력원으로 활용이 가능하다

김상식 교수팀은 "이번 연구성과는 초박막 나노입자를 고집적화하여 소자를 구현한 것으로 사람의 체온, 컴퓨터 열기 등 버려지는 열을 전기 에너지로 변환하여 우리 몸에 착용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구 결과의 의의를 설명했다. 

[ 그 림 설 명 ] 

▲ 그림 1 . 나노입자 박막 열전모듈의 온도차에 따른 발생전압 그래프와 pn 갯수에 따른 발생전압 그래프.

▲ 그림 2. 실제 체온으로 전압이 발생하는 소자의 옵티컬 이미지 및 열영상 이미지. 손가락 접촉여부에 따른 발생전압 그래프.

[ 용 어 설 명 ]

1. 유연 열전모듈: 굽히거나 접을 수 있는 열전모듈로, n형 반도체 물질과 p형 반도체 물질로 구성되어 있다. 두 물질은 전기적으로 직렬연결 되며, 열적으로는 병렬연결 되어 온도차이가 발생되면 내부에 있는 전하가 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하여 전압을 발생시킨다.

2. pn쌍: 열전소재로 쓰이는 물질은 모두 반도체 물질이며 반도체는 주캐리어의 종류에 따라 n형과 p형으로 구분된다. 열전모듈을 제작함에 있어도 n형과 p형 열전소재를 병렬로 연결하여 제작하며 한 쌍을 pn쌍이라고 한다.