▲ 화학연 연구팀은 금 나노입자가 표면에 형성된 판상형 흑린 소재 및 이를 이용한 유연 열전소자를 개발했다.

국내 연구진이 인쇄공정을 통해 유연한 열전소자를 만들 수 있는 용액형 열전소재 원천기술을 개발했다. 유연하게 휘어지는 특성도 가지고 있어, 향후 웨어러블 기기에 적용될 전망이다.

한국화학연구원은 조성윤 박사 연구팀이 열을 전기 에너지로 바꾸어주는 새로운 유연 열전 소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

열전 소재는 주변의 열을 전기 에너지로 바꾸거나, 반대로 전기에너지로 온도를 낮추거나 올릴 수 있는 소재다. 특히 사람의 체온으로 전기에너지를 발생시키면 웨어러블 기기의 자가전원으로 쓸 수 있기 때문에 미래 활용도가 높다.

그러나 열전소재는 소재 제조 공정이 까다롭고 복잡해 만들기 어렵고, 효율이 낮으며 값이 비싸기 때문에 현재 활용도는 낮다. 또한 공기 중에서 쉽게 산화돼 대기 안정성이 취약하고 깨지기 쉬우며 유연하게 만들기 힘들다는 단점이 있다.

이에 화학연 연구팀은 새로운 열전 소재로 주목받고 있는 흑린의 덩어리를 얇은 층의 판으로 떼어낸 후 표면에 금 나노입자를 결합시켜, 공기 중 안정성을 높이고 전기전도도를 획기적으로 향상시킨 새로운 소재를 개발했다. 새로운 소재는 용액 인쇄 공정으로 만들 수 있어 제조 공정이 단순하고, 유연하게 휘어질 수 있다.

연구팀은 물과 에탄올의 혼합 용매에 흑린판과 금 나노입자 전구체를 분산시켜 화학반응을 통해 금 나노입자가 흑린판 표면에 결합될 수 있도록 했다. 흑린판 표면에 금 나노입자가 결합되면 흑린판과 공기와의 접촉을 막아주어 흑린이 공기 중에서 쉽게 산화되지 않고 안정적으로 오래 있을 수 있다.

또한 용액에 분산되어 있는 새로운 소재를 고무 기판 내의 구멍에 떨어뜨리는 잉크젯 프린팅 형태로 인쇄해서 열전소자를 제작했다. 인쇄 공정은 제조 과정이 쉽고 간단하며 비용이 저렴하다는 장점이 있다.

새로운 소재는 전기전도도가 기존 흑린보다 약 6만배 높고 열전 특성이 우수하다. 금 나노입자의 함량을 조절하여 소재의 열전 특성도 용도에 맞게 제어할 수 있다.

연구책임자 조성윤 박사는 “본 기술은 그동안 열전소재로서의 가능성은 있었으나 안정성 등의 문제가 있었던 흑린 소재의 문제점을 획기적으로 개선했다”며 “새로운 소재는 유연하게 휘어지는 특성을 가지고 있어 향후 체온 이용이 가능한 웨어러블 소자의 자가전원으로 응용될 가능성이 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는 재료화학 분야 최고 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’의 표지논문으로 선정됐으며, 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 지원으로 수행됐다.