[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

웨어러블 기기 시장이 빠르게 성장하면서 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술의 적용 범위가 늘고 있다. 이중 ‘웨어러블 열전 발전기’는 대부분 피부나 옷에 직접 부착해 체온과 대기 사이의 온도차로 구동된다. 종래 열전 발전기는 딱딱한 열전 재료와 기판재로 만들어졌다. 딱딱한 물질은 몸에 붙일 경우 빈 공간이 생기기 쉽고, 이에 따른 열손실이 일어난다. 이 때문에 딱딱한 열전 재료로 웨어러블 열전 발전기를 만들기는 어려웠다. 따라서 웨어러블 열전 발전기 제작을 위해서는 유연성이 높고 기계적으로 안정적인 유연한 열전 재료와 기판, 포장재가 필요하다.

웨어러블 열전 발전기를 실제 환경에 적용할 때, 열전성능지수와 유연성뿐 아니라 온도차도 중요한 요소다. 일반적으로 열전 발전기의 출력은 짧은 막대 모양의 반도체인 ‘열전 레그(Thermoelectric leg)’ 양단 온도차의 제곱에 비례해 증가한다. 온도차가 크면 클수록 출력이 기하급수적으로 늘어나는 것이다. 이 때문에 열전 발전기를 설계할 때 반드시 온도차를 고려해야 한다. 하지만 현재까지 알려진 웨어러블 열전 발전기에서 구동 온도차는 1~4℃에 불과했다.

열전 발전기 중에는 광흡수체를 이용하는 ‘광열전 발전기’도 있다. 태양빛을 흡수해 열로 바꾸는 광흡수체는 주변과 온도차를 크게 만들 수 있어 효과적인 발전이 가능하다. 높은 온도차를 달성할 수 있는 광열전 발전기 콘셉트를 웨어러블 열전 발전기와 접목하면 기존의 한계를 극복한 웨어러블 광열전 발전기를 개발할 수 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 기존 ‘신체 부착형 웨어러블 열전소자’에서 온도차가 적다는 문제를 해결하기 위해 ‘광흡수 시스템’을 도입했다. 태양빛을 흡수할 수 있는 광흡수체를 적용한 유연한 기판을 만들고, 그 위에 열전 소재로 만든 잉크를 인쇄해 ‘의복 부착형 웨어러블 광열전소자’를 개발했다.

이번 연구에서 온도차를 전기 에너지로 바꾸는 열전 재료로는 비스무스 텔루라이트(Bi₂Te₃) 가 쓰였다. 이 물질은 원래 딱딱한 막대 모양의 반도체로 만들어 열전 레그로 썼다. 그런데 최근에는 웨어러블 열전 발전기로 활용하기 위해 잉크 형태로 만드는 사례가 많아졌다. 이번 연구에서도 비스무스 텔루라이트를 잉크 형태로 바꿔 기판 위에 그리는 방식을 이용했다. 참고로 프린팅을 위한 열전 잉크는 기계적으로 합금화된 비스무스 텔루라이트(Bi₂Te₃) 기반의 분말과 소결첨가제(Sb₂Te₃)를 글리세롤 용매에 분산시킴으로써 합성했다.

제조된 열전 잉크로 열전 레그를 그리는 기판으로는 광흡수체가 부분적으로 증착된 폴리이미드 필름이 쓰였다. 광흡수체는 가시광선을 효율적으로 흡수하도록 설계된 5주기의 금속(Ti)과 유전체(MgF₂)가 반복적으로 쌓인 얇은 층상 구조(금속/유전체 다층 박막 구조)다. 티타늄(Ti)과 마그네슘철(MgF₂)층의 두께와 주기를 최적으로 증착했을 경우, 광흡수체의 평균 흡수도는 가시광선 스펙트럼에서 96.3%로 높았다.

웨어러블 광열전 발전기의 핵심은 폴리아미드 필름의 가운데 쌓아올린 광흡수체(Ti/MgF₂)다. 광흡수체가 증착된 부분은 태양빛을 흡수해 열을 만들기 때문에 온도가 높고, 나머지 부분은 온도가 낮다. 이런 온도차는 최대 20.9℃까지 나기 때문에 고출력에 유리하다.

기판의 온도차를 이용해 전기를 생산하는 열전 레그는 열전 잉크로 그려서 만든다. 이번 연구에서는 광흡수체 좌우에 각각 5쌍의 p-n 열전 레그를 그린 광열전소자를 만들었다. p-n 열전 레그는 p형 반도체와 n형 반도체를 지그재그 형태로 이어붙인 모양으로 그렸다.

10쌍의 p-n 열전 레그로 구성된 웨어러블 광열전소자는 햇빛에 노출됐을 때(AM 1.5 G 1sun 조건 하에서), 55.15mV의 개방 회로전압과 4.44μW의 출력 전력을 나타냈다. 이때 열전 레그의 양단, 온점과 냉점의 온도차는 20.9℃로 높은 값을 확보했다. 또한 절연체 물질 코팅으로 소자의 유연성을 상당히 개선시켰다.

3. 기대효과

웨어러블 열전 발전기에서 열원으로 작용하는 광흡수체를 도입한 후, 열전 레그 양단의 온도차는 20.9℃로 나타났다. 이는 현재까지 보고된 모든 웨어러블 열전소자들과 비교해도 상당히 높은 수치다. 기존의 구동 온도 범위를 증가시켜 효율 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

또한 이번에 개발한 웨어러블 광열전소자는 옷이나 창문, 건물 외벽처럼 햇빛에 노출된 다양한 표면에 쉽게 장착 가능하다. 이런 특징은 자체 구동식이나 착용식 전자기기에 다양하게 응용할 수 있어 앞으로 유용성이 클 전망이다.

[붙임] 용어 설명

1. 비스무스 텔루라이트(Bi₂Te₃)

상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있는 열전반도체 소재. 이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용됨.

2. 열전 레그(Thermoelectric leg)

막대 형태이 양 끝에 온도차를 주면 기전력이 발생해 전류가 흐르는 현상을 갖는 N형, P형 반도체.

3. 다층 박막 구조

두 가지 이상의 물질이 다층으로 증착된 구조.

4. 광열전소자

광흡수체, 집광 시스템 등의 광흡수 장치를 열전 발전기에 도입해 햇빛으로 작동하는 소자. 보통의 광열전소자는 집광렌즈, 진공 인클로저, 히트싱크와 같은 3차원적 구조를 사용함.

[붙임] 그림 설명