KAIST 연구진 "레이저빔 공정…프린팅 기반 유연 열전소자 중 최고 효율"
국내 연구진이 체열은 물론 온수관이나 자동차 등 열이 발생하는 각종 장치에서 나오는 열로 전기를 생산할 수 있는 고성능 유연(flexible) 열전소자를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 조병진 교수와 신소재공학과 이건재 교수팀은 18일 스크린 프린팅 공정과 레이저빔 공정을 이용해 전자기기 전력공급원으로 사용할 수 있는 고성능 유연 열전소자를 제작하는 공정을 개발했다고 밝혔다.
열전소자(Thermoelectric device)는 열에너지를 전기에너지로 전환해주는 소자로 폐열을 이용한 재생에너지 산업에서 응용 가능성이 커 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
그러나 기존 상용 열전소자는 양면에 단단하고 무거운 세라믹 기판이 있어 휘어지지 않고 무거워서 굴곡이 있는 열원에 부착해 사용하기 어려운 단점이 있다.
연구진은 쿼츠(quartz) 기판 위에 스크린 프린팅 공정으로 열전 후막을 형성한 뒤 레이저빔을 열전소자 양면에 조사해 딱딱한 쿼츠 기반을 완전히 분리하는 공정을 개발, 쉽게 휘어지는 유연 열전소자를 만들었다.
이들은 레이저빔을 이용한 기판 박리기술은 30나노초(ns=10억분의 1조)의 매우 짧은 시간 레이저빔을 조사하기 때문에 니켈 박리 기술보다 간편하고 공정 안전성이 높으며 열전소자의 경량화와 유연화를 동시에 달성할 수 있다고 설명했다.
또 이 유연 열전소자는 스크린 프린팅으로 형성되는 열전후막 공정의 최적화로 성능이 더욱 개선됐다고 연구진은 밝혔다.
이 유연 열전소자는 온도 차 25도에서 단위면적당 발전량 4.78㎽/㎠, 단위 무게당 발전량 20.8㎽/ｇ로 최근 보고된 프린팅 기반 유연 열전소자 중 전력밀도가 가장 높은 것으로 확인됐다.
특히 이 유연 열전소자는 유연성 시험에서 8천번 휘었다가 편 뒤에도 내부저항치가 10% 이하로 유지될 정도로 우수한 유연성과 발전성능을 보였다.
논문 제1저자인 김선진 박사는 "유연 열전소자는 잘 휘어져 굴곡이 있는 인체, 자동차, 항공기, 발전소, 산업현장 등 다양한 열원에 쉽게 부착해 전기를 생산할 수 있어 활용성이 매우 넓다"며 "유연 열전소자를 센서 등 각종 무선 전자기기의 전원으로 사용할 수 있을 것"이라고 말했다.
한국연구재단 선도연구센터지원사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 나노분야 국제학술지 'ACS 나노'(ACS Nano, 2016년 12월 27일 자)에 게재됐다.
[저작권자 ⓒ연합뉴스 무단 전재-재배포 금지]
한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 조병진 교수와 신소재공학과 이건재 교수팀은 18일 스크린 프린팅 공정과 레이저빔 공정을 이용해 전자기기 전력공급원으로 사용할 수 있는 고성능 유연 열전소자를 제작하는 공정을 개발했다고 밝혔다.
열전소자(Thermoelectric device)는 열에너지를 전기에너지로 전환해주는 소자로 폐열을 이용한 재생에너지 산업에서 응용 가능성이 커 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
그러나 기존 상용 열전소자는 양면에 단단하고 무거운 세라믹 기판이 있어 휘어지지 않고 무거워서 굴곡이 있는 열원에 부착해 사용하기 어려운 단점이 있다.
연구진은 쿼츠(quartz) 기판 위에 스크린 프린팅 공정으로 열전 후막을 형성한 뒤 레이저빔을 열전소자 양면에 조사해 딱딱한 쿼츠 기반을 완전히 분리하는 공정을 개발, 쉽게 휘어지는 유연 열전소자를 만들었다.
이들은 레이저빔을 이용한 기판 박리기술은 30나노초(ns=10억분의 1조)의 매우 짧은 시간 레이저빔을 조사하기 때문에 니켈 박리 기술보다 간편하고 공정 안전성이 높으며 열전소자의 경량화와 유연화를 동시에 달성할 수 있다고 설명했다.
또 이 유연 열전소자는 스크린 프린팅으로 형성되는 열전후막 공정의 최적화로 성능이 더욱 개선됐다고 연구진은 밝혔다.
이 유연 열전소자는 온도 차 25도에서 단위면적당 발전량 4.78㎽/㎠, 단위 무게당 발전량 20.8㎽/ｇ로 최근 보고된 프린팅 기반 유연 열전소자 중 전력밀도가 가장 높은 것으로 확인됐다.
특히 이 유연 열전소자는 유연성 시험에서 8천번 휘었다가 편 뒤에도 내부저항치가 10% 이하로 유지될 정도로 우수한 유연성과 발전성능을 보였다.
논문 제1저자인 김선진 박사는 "유연 열전소자는 잘 휘어져 굴곡이 있는 인체, 자동차, 항공기, 발전소, 산업현장 등 다양한 열원에 쉽게 부착해 전기를 생산할 수 있어 활용성이 매우 넓다"며 "유연 열전소자를 센서 등 각종 무선 전자기기의 전원으로 사용할 수 있을 것"이라고 말했다.
한국연구재단 선도연구센터지원사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 나노분야 국제학술지 'ACS 나노'(ACS Nano, 2016년 12월 27일 자)에 게재됐다.
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