▲ 그림(a)는 실리콘 나노선 n형과 p형을 전기적으로 직렬연결하고 열적으로 병렬연결하여 모듈을 구성한 열전모듈 도식도이며, 이를 실제로 제작한 열전모듈의 광학 사진과 전자현미경 사진이 그림(b)임 [자료: 한국연구재단]

[헬로티]

김상식 교수(고려대) 연구팀이 실처럼 가늘고 구부리기 쉬운 실리콘 나노선으로 열을 전기로 바꾸는 열전 모듈을 최초로 개발했다.

열전모듈은 반도체에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전하는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 되는데, 이러한 원리를 이용해 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 구현했다.

연구팀에 따르면, 개발된 실리콘 나노선 열전모듈은 전자와 포논의 평균자유행로 차이를 이용해 전기전도도의 큰 손실없이 열전도도를 1/5 이하로 줄여서 열전변환 성능을 향상시켰다. 특히 구부린 상태에서도 열을 전기로 바꾸는 성능이 14.2mW/(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 변환하여 우리 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 디바이스 전원,  피부 부착형 메디컬 센서 등에 적용될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 미래창조과학부, 한국연구재단의 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머테리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 12월 5일자에 게재됐다.

김진희 기자 (eled@hellot.net)