^*열전 모듈: 열전효과를 갖는 특수소재인 열전 소재를 부품형태로 찍어낸 것. 열전효과는 온도차로 전기적 위치에너지 차이가 발행하는 효과뿐만(제벡효과) 아니라 전류가 흐르면 열 흡수(냉각)이 일어나는 효과(펠리티에 효과)를 통칭한다. 제벡효과를 응용하면 열전 발전을, 펠리티에 효과를 응용하면 열전 냉각이 가능하다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

열전 기술은 ‘열전효과(thermoelctric effect)’를 기반으로 한다. 열전소재 양 끝단에 온도 차가 발생하면 전하 캐리어의 확산으로 밀도 차이가 생겨난다. 이러한 밀도 차이로 전기를 만들어내는 힘 (기전력)이 발생하고 이를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 장치를 ‘열전발전기’라고 한다. 이 열전 효과는 반대로 전기를 이용해 열을 흡수하는 열전냉각에도 쓰인다.

열전발전기와 열전냉각기는 일반적인 발전기나 냉각기와 달리 구동부나 복잡한 구조가 없기 때문에, 열전 모듈의 성능이 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 요소다. 열전발전이나 열전냉각에 쓰이는 열전소재를 부품형태로 찍어낸 것을 열전 모듈이라 한다.

간단한 장치 구조와 높은 신뢰성, 내구성을 지닌 마이크로 열전 모듈은 사물 인터넷, 웨어러블 디바이스 및 무선 센서 네트워크에 지속 가능한 전력 공급을 보장하는 유망한 솔루션이다. 해당 시스템들은 밀폐된 환경에 내장되거나 패키징 되기 때문에 자체 에너지 공급과 냉각이 가능해야 한다.

그러나 기존의 마이크로 열전 모듈은 미세전자제어기술(MEMS, microelectromechanical systems) 공정으로만 제작 가능했으며, 대부분 필름 형태로 낮은 성능의 한계가 있다. 모듈 내에 온도차가 크지 않기 때문이다. 이는 온도차에 비례하여 높은 출력을 내는 열전 모듈에 매우 치명적인 단점이다. 또한 MEMS 공정은 복잡하고 공정비용이 매우 높아 실제 산업에 적용하기에 어려움이 있었다.

본 연구에서는 상온 대역에서 우수한 열전 성능을 갖는 ‘비스무스 –텔루라이드(Bi2Te3)’ 열전 소재로 기존 한계를 극복하는 새로운 마이크로 열전 모듈을 제작하고자 했다. 

2. 연구내용

비스무스 텔루라이드 잉크를 3D 직접 쓰기 (direct writing) 하려면 열전 잉크가 고 점탄성을 가져야 한다. 이러한 열전 잉크 디자인을 설계하였다. 우선, 열전 소재 입자의 크기와 분포도 제어를 통해 유변 물성(유동적 물질의 성질)을 향상 시키고자 했다. 입자의 크기와 분포도에 따른 잉크의 유변 물성을 분석한 결과 입자의 크기가 작고 분포도가 좁을수록 동적 점도와 한계응력 값 모두 증가함을 확인하였다. (입자 크기의 표준편차인 Dmedian 17.276 μm 잉크 대비 Dmedian 4.378 μm 잉크에서 약 10배의 점도 증가율을 보임. ).

또한, 입자의 표면제어를 통해 바인더 첨가 이후에도 점도 감소 없이 고점탄성을 유지하고자 했다. 본 연구에서 사용되는 무기 바인더(Sb2Te3 chalcogenidometallate)는 스크리닝 효과(screening effect) 때문에 3D 직접 쓰기 잉크에 치명적인 점도 감소를 유발한다. 한편, 무기 바인더는 소결(열을 가해 프린팅된 모듈을 굳히는 것)등의 열처리 공정에서 입자 소결을 촉진하고 고밀도화를 유도하기 위해 넣는다.

점도 저하문제를 해결하기 위해 제어된 산화공정을 통해 입자의 표면에 얇은 산화막을 형성해 표면 전하를 변화시켜 열전입자와 무기바인더 사이의 스크리닝 효과를 막고 잉크 내 입자의 분산효과를 극대화하였다.

해당 잉크는 점도의 감소 없이 고점탄 특성을 유지하며 높은 틱소트로픽(thixotropic, 잉크, 페이트 따위의 점도가 외부 힘에 의해 변화하는 현상)성질을 보였다. 틱소트로픽 성질은 잉크를 짜내 제작된 열전 모듈의 모양이 구조적으로 유지되기 위해 꼭 필요한 성질이다. 3ITTs(three interval thixotropy tests) 분석을 통해 구조안정성을 확인하였다.

이후 개발한 고점탄성의 열전잉크를 이용해 기존 잉크로 구현하기 어려웠던 아치 및 격자 구조 등 다양하고 복잡한 마이크로 형상의 구조물을 시연했다.

또 마이크로 열전 모듈을 제작하기 위해 실리콘 기판 위에 앞서 개발한 p형 및 n형 열전 잉크를 연쇄적으로 직접 잉크 쓰기 3D 프린팅 했다. 해당 열전 필라멘트의 크기는 3D 프린터의 노즐의 크기와 도포 압력 조절을 통해 180μm에서 810μum 까지 미세조절이 가능하며 최대 9.4의 높은 종횡비의 열전 필라멘트를 제작할 수 있다. 이러한 높은 종횡비의 마이크로 모듈은 기존의 MEMS와 같은 제작공정으로 제작이 불가능하며 3D 프린팅 공정의 큰 차별성을 보여준다.

직접 쓰기를 통해 제작한 열전 소재는 크기와 형태의 관계없이 일정한 열전 물성을 가지고 있으며, p형은 1.0, n형은 0.5에 달하는 열전 성능지수를 가짐을 확인하였다. 이는 같은 조성의 기존 벌크형 열전 소재의 성능과 비슷한 수치다.

최종적으로, 마이크로 열전 모듈에 가장 적합한 크기의 필라멘트를 디자인하여 마이크로 열전 모듈을 제작하였으며 하이드로-젤 쿨러를 이용하여 발전 성능을 측정하였다. 제조된 마이크로 열전 모듈의 전력 밀도는 479 μW/cm2 에 달하며, 온도 차는 최대 82.9 °C를 유지할 수 있다. 이것은 현재 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차를 나타낸 것이다.

3. 기대효과

비스무스-텔루라이드 소재의 열전 잉크 디자인 최적화를 통해 직접 쓰기 3D 프린팅을 구현하고, 나아가 마이크로 열전 모듈의 온도차를 극대화하여 열전성능을 향상시켜 기술의 가치를 증명했다. 3D 프린팅을 통한 고성능의 마이크로 열전 모듈 제작 기술은 마이크로 기기에서 효과적인 열에너지 수집에 활용될 수 있고 응용성이 넓어 향후 사물 인터넷, 웨어러블, 무선 센서 네트워크 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 특히 3D 프린팅 기술은 재료 보존과 공정 단순화, 시스템 제작 등에 따른 비용도 줄일 수 있는 경제적이고 효율적인 방식이라 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 개발된 열전 소재 3D 직접 쓰기 기술과 다양한 열전 모듈의 형태(a) 직접 잉크 쓰기 기술을 이용한 3D 열전 모듈 제작 공정, (b,c) 다양한 열전 필라멘트의 직경 및 종횡비 사진, (d) 아치 형태의 열전 모듈을 CCD(Charge coupled Device) 이미지 센서로 촬영한 모습, (e) 3D 격자 구조 열전 모듈의 사진 및 주사전자현미경(SEM) 이미지