[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 열전 소재는 주변의 열을 전기 에너지로 바꾸거나 반대로 전기에너지로 온도를 낮추거나 올릴 수 있는 소재다. 일상생활 속에서 와인냉장고, 자동차 시트쿨러, 정수기 등에 쓰인다. 

특히 사람의 체온으로 전기에너지를 발생시키면 몸에 부착할 수 있는, 이른바 웨어러블 기기의 자가전원으로 쓸 수 있기 때문에 미래 활용도가 높다. 국내 연구진이 열을 전기 에너지로 쉽게 바꾸는 유연 열전 소재를 개발했다. 

14일 한국화학연구원에 따르면 이 연구원 화학소재연구본부 조성윤 박사 연구팀은 기존 열전 소재의 단점인 공기 중 취약성을 극복하고 인쇄 공정으로 간단하게 만들 수 있는 새 열전 소재를 개발하는 데 성공했다. 

새로운 열전 소자 이미지. 동전 크기와 비교했다. 2018.08.14. [자료=한국화학연구원]

연구결과는 재료화학 분야 최고 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 최신호 표지논문으로 선정됐다. 

이번 열전 소재는 유연하게 휘어지는 특성도 가지고 있어 향후 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 새로운 가능성을 열었다. 

기존 소재를 대체하고 상업화를 확대할 수 있는 새로운 열전 소재 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 그 중 반도체 소재 중 전하 이동도가 우수한 '인(P)' 원소로 구성된 2차원 물질 ‘흑린’이라는 소재가 주목받는다.

흑린은 지구에 풍부한 원소인 '인’으로 만들기 때문에 고갈 우려가 없고 인체에 무해하다. 하지만 흑린 자체만으로는 공기 중에서 쉽게 산화되어 안정성이 떨어지고 전기전도도가 낮아서 이와 관련한 추가 연구가 필요한 상황이다. 

연구진은 흑린 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 흑린 판과 금 나노입자 전구체(어떤 물질의 전 단계 물질)를 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. 

한국화학연구원 화학소재연구본부 조성윤 박사 2018.08.14 [사진=한국화학연구원]

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

kimys@newspim.com