[한국기술뉴스] UNIST 신소재공학부의 손재성·채한기 교수팀은 열전 발전기내의 열전 모듈을 수백 마이크로미터(10-6m,μm) 크기로 작게 만드는 데 성공했다. 

3D 직접 잉크 쓰기를 할 수 있는 열전 소재 잉크를 개발한 덕분이다. 개발한 잉크를 튜브(노즐)를 통해 짜내기만 하면 초소형 필라멘트 형태 열전 모듈이 완성된다.

직경이 약 1.9mm인 1센트 동전 위에 올려진 초소형 열전 모듈 열전 발전 모듈은 평편한 필름 형태 보다는 폭은 좁고 길이는 긴 필라멘트 형태가 더 좋다. 발전기 최대 출력이 모듈 내부의 온도차에 비례하기 때문이다. 하지만 기존에는 3D 구조인 필라멘트 형태를 마이크로미터 단위로 작게 제작할 기술이 없었다.

연구팀은 3D 직접 잉크 쓰기 기술에 주목했다. 3D 직접 잉크 쓰기 기술은 손 글씨를 써내듯 정교한 동시에 미세한 입체 구조를 만들 수 있는 기술이다.

3D 직접 잉크 쓰기에 적합한 열전 소재 잉크 개발이 관건이었는데, 열전 소재 입자 크기와 그 분포를 조절해 고점도의 잉크를 만들 수 있었다. 또 입자 표면 전하 조절로 바인더를 첨가한 이후에도 점도 감소가 없었다. 강도 강화를 위해 넣는 바인더는 점도를 떨어뜨리는 문제가 있었다. 점도가 높아야 출력할 때 모양이 잘 유지된다.

개발된 마이크로 열전 모듈로 만든 발전기의 전력 밀도는 단위 면적(1cm2)당 479 μW(마이크로 와트)에 달하며, 온도 차는 최대 82.9 °C를 유지할 수 있다. 이는 현재까지 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차이다. 이 열전 모듈은 밀폐된 초소형 전자기기의 발열 문제 해결에도 쓸 수 있다. 열전소재는 열로 전기를 만드는 발전 기능뿐만 아니라 전기로 열을 흡수하는 열전냉각 기능도 있기 때문이다.

3D 직접 잉크 쓰기에 적합한 열전 소재 잉크 개발이 관건이었는데, 열전 소재 입자 크기와 그 분포를 조절해 고점도의 잉크를 만들 수 있었다. 또 입자 표면 전하 조절로 바인더를 첨가한 이후에도 점도 감소가 없었다. 강도 강화를 위해 넣는 바인더는 점도를 떨어뜨리는 문제가 있었다. 점도가 높아야 출력할 때 모양이 잘 유지된다.

개발된 마이크로 열전 모듈로 만든 발전기의 전력 밀도는 단위 면적(1cm2)당 479 μW(마이크로 와트)에 달하며, 온도 차는 최대 82.9 °C를 유지할 수 있다. 이는 현재까지 보고된 마이크로 열전 모듈 중 가장 큰 온도 차이다.

이 열전 모듈은 밀폐된 초소형 전자기기의 발열 문제 해결에도 쓸 수 있다. 열전소재는 열로 전기를 만드는 발전 기능뿐만 아니라 전기로 열을 흡수하는 열전냉각 기능도 있기 때문이다. 한편, 개발된 열전잉크는 필라멘트 형태뿐만 아니라 아치형, 3D 격자 구조 같이 복잡한 형태도 만들 수 있다. 또 열전 필라멘트의 크기는 3D 프린터 노즐 크기와 도포 압력에 따라 180 마이크로미터에서 810 마이크로미터 까지 조절 가능하며, 최대 9.4의 종횡비를 갖도록 제작할 수 있다.

채한기 교수는 “기존 제작공정으로는 이 정도로 큰 종횡비를 갖는 열전 모듈 제작이 불가능하다”며, “소재 물성 저하 없이 첨단 소재를 원하는 초미세 구조로 만들 수 있다는 점이 개발한 3D 프린팅 기술의 차별성”이라고 설명했다.