한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 김진상 분원장팀이 체온과 외부 온도차를 이용해 반영구적으로 전기를 생산할 수 있는 고효율 유연 열전모듈을 개발했다.
실리콘 화합물 소재(PDMS)로 제작돼 피부 곡선에 맞게 부착할 수 있어 반영구적으로 인체 부착 전자기기에 사용될 것으로 보인다.
열전모듈의 성능은 큰 온도 차이를 형성하는 능력으로 좌우된다.
연구팀은 열전반도체를 고정하고 인체와 접촉하는 실리콘 화합물이 외부 공기와 맞닿는 부분까지 체온이 전달되는 것을 최대한 막는데 초점을 뒀다.
열이 전달되는 것을 최대한 낮추기 위해 실리콘 화합물에 설탕을 이용해 미세한 공기구멍을 만들었다.
각설탕 위에 실리콘 화합물 액체를 부어 굳힌 후 물에 설탕을 녹여 없애 스펀지 형태의 고분자 소재를 제작했다.
설탕이 있던 자리가 미세한 공기 방울로 변해 열 차단 능력이 기존 소재 대비 50% 이상 높아져 열전달을 효과적으로 차단할 수 있게 됐다.
이 기판으로 열전모듈을 지지하는 뼈대로 사용해 유연하면서도 성능을 떨어뜨리지 않는 열전모듈을 만들었다.
LED 등을 30분간 켜는데 성공한 개발 제품/KIST 제공
연구팀은 가로세로 1.2㎜이면서 높이가 2.6㎜의 열전반도체 47개를 넣은 열전모듈을 총 8개 사용해 피부에 붙여 실험했다.
그 결과 1㎠당 12.1㎼의 전력밀도로 40㎷의 전압이 나왔다.
32개 LED 등을 30분 이상 켤 수 있었다.
기존 유연 열전모듈 대비 20% 이상의 성능을 보였다.
김진상 분원장은 "이 정도의 전력이면 팔에 붙이는 심박센서 등도 작동시킬 수 있으며, 전자기기를 사용하지 않을 때에는 전력을 배터리나 캐퍼시터에 축전했다가 사용할 수 있다"며 "각설탕에 용액을 부어 굳히기만 하면 되는 값싸고 간단한 공정을 이용해 유연 열전모듈의 효율을 스마트 밴드 구동도 가능한 상용 열전모듈 수준으로 끌어올렸다"고 말했다.
유연한 실리콘 화합물 소재(PDMS)를 스펀지 형태로 만든 고효율 유연 열전모듈(오른쪽)/KIST 제공
이번 연구 결과는 에너지분야 국제 학술지인 '나노 에너지'의 3월호에 게재됐다.
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