구부러지는 실리콘 열전모듈로 열을 전기로 바꾼다

[산업일보]
한국연구재단(이사장 조무제)은 김상식 교수(고려대) 연구팀이 실처럼 가늘고 구부리기 쉬운 실리콘 나노선으로 열을 전기로 바꾸는 열전 모듈을 최초로 개발했다고 밝혔다.

열전모듈dms 반도체에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전하는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 된다. 열전모듈은 이러한 원리를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 소자이며 n형과 p형 반도체로 구성된다.

연구팀은 현재 사용되는 반도체 CMOS 공정을 이용해 정밀히 조절된 열전 특성을 갖는 단결정 실리콘 나노선을 제작하고 이를 구부러질 수 있는 기판에 적용한 고성능 유연 열전모듈을 구현하였다. 이는 그 동안 기술이 개발됐다 하더라도 실리콘 반도체에 적용이 어려웠던 기존 연구와는 차별화된다.

개발된 실리콘 나노선 열전모듈은 전자와 포논의 평균자유행로 차이를 이용해 전기전도도의 큰 손실 없이 열전도도를 5분의 1 이하로 줄여서 열전변환 성능을 최대한 향상시켰다.

특히 구부린 상태에서도 열을 전기로 바꾸는 성능(또는 파워팩터)이 14.2(밀리와트 퍼 미터 켈빈제곱 mW/(m·K2))으로 나타났다. 이는 기존의 유기물 기반 유연 열전모듈보다 100배 이상 높은 것이다. 이 성능은 반복해서 구부려도 일정하게 출력 전압이 유지됐다.

김상식 교수는 “이번 연구성과는 열을 전기로 바꾸는 것이 어렵다고 알려진 실리콘 반도체를 기반으로 고성능 유연 열전모듈을 최초로 구현한 것이다. 사람의 체온, 컴퓨터 열기 등 버려지는 열을 전기 에너지로 변환해 우리 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 디바이스 전원, 피부 부착형 메디컬 센서 등에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

김 교수는 “이 연구에서는 실리콘 나노선 유연 열전모듈을 세계 최초로 구현하고, 유기물 기반 유연 열전모듈의 열전변환 성능보다 100배 이상 향상된 고성능 유연 열전모듈을 개발했다”며, “기존 반도체 공정인 CMOS 공정을 활용해 제작된 실리콘 나노선은 대면적 공정이 가능하므로 유연 열전모듈의 상업화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

구부러지는 열전모듈기술은 사람의 체온 및 전자제품의 폐열을 능동적으로 회수하는 기술로 노트북, 휴대폰, 의류 등 광범위하게 응용이 가능하며, 특히 충전이 필요 없는 웨어러블 전자기기 및 메디컬 센서 개발에 적용할 수 있을 것으로 보인다.

일차원 재료의 열전도도 측정을 위해서는 복잡하고 어려운 공정이 필요했다. 그러나 이 연구에서 제시된 열전도도 측정기법을 활용하면 일차원 재료뿐만 아니라 모든 종류의 열전재료에 대해서 간편하고 정확하게 열전도도를 측정할 수 있다. 또한 휘어진 상태의 열전재료에 대해서도 열전도도 측정이 가능해, 유연 열전시스템의 실질적인 열전변환 특성파악에 도움이 된다. “본 측정기법은 고성능 유연 열전모듈 개발의 기반기술로 활용될 것으로 기대된다”고 김 교수는 덧붙였다.