[신기술소개] 스탠포드 대: 폐열에서 전기를 수확하는 무독성 웨어러블 에너지 변환장치 이용, 전력 공급- 유연 폴리이미드 기판에 단일벽탄소나노튜브 기반 열전 장치의 설계 및 제작

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스탠포드 대: 폐열에서 전기를 수확하는 무독성 웨어러블 에너지 변환장치 이용, 전력 공급- 유연 폴리이미드 기판에 단일벽탄소나노튜브 기반 열전 장치의

설계 및 제작

최근 다양한 휴대용 및 웨어러블 전자 제품이 우리 일상생활의 큰 부분이 됨에 따라 우리 주변에 존재하 는 폐열에서 전기를 수확해 전력 공급하는 것에 대한 관심이 높아졌고, 전체 시스템의 일부분으로 결합하 는 것에 대한 수요로부터 비롯되었다. 이를 위해 스탠포드대 연구팀은 활성 장치 자체와 동일한 재료로 에 너지 변환 장치를 제작했다. 오늘날, 많은 생체 의학 나노 장치의 전원 공급 장치는 시스템의 활성 부분과 분리되어야 하는 여러 유형의 배터리에서 나온다. 이는 이상적이지 않다.

스탠포드대 연구팀은 웨어러블 에너지 변환기의 기반으로 유연한 폴리이미드 기판에 단일벽 탄소나노튜 브 열전 장치의 설계 및 제작을 보고했다. 연구를 주도한 동 대학의 전기공학 및 재료과학과의 Eric Pop 교수는 “텔루르화 비스무트에 의존하는 기존의 열전재료와 달리 탄소나노튜브는 우수한 열전특성으로 알 려진 1차원 재료이므로 온도구배에서 전압을 발생시킬 수 있다.”며, “탄소나노튜브는 열전도율이 높아서 열구배 유지가 어렵고, 저렴한 비용으로 열전발전기로 조립하기 어렵다 ”고 했다.

Eric Pop 교수는 “인쇄된 탄소나노튜브 네트워크를 사용하면, 열흐름을 차단해 존재하기 때문에 탄소나 노튜브를 단독으로 사용하는 것보다 열전도율이 훨씬 낮다. ”며 “이러한 탄소나노튜브 네트워크를 직접 인 쇄하면 확장 시 비용을 크게 줄일 수 있다.”고 했다. 본 연구의 주저자인 이혜령 박사는 “열전 장치는 개인

Figure. (a) 장치배열의 광학 이미지(수직 화살표: 테스트 중 적용온도 구배), (b) 측정된 Seebeck 계수(S),

(c) 단일 장치의 어닐링 시간에 대한 역률, (d) 단일장치의 전기전도도 함수로 측정된 역률(어닐링 온도: 350 ℃).

KIC News, Volume 24, No. 3, 2021

KIC News, Volume 24, No. 3, 2021 63

용 장치, 가전제품, 차량, 상업 및 산업 공정, 컴퓨터 서버, 태양광 조명, 심지어 인체에서 나오는 폐열을 재 사용해 국부적으로 전력을 생산 ”한다며, “독성, 기계적 취성 등 열전 재료의 장애를 제거하기 위한 훌륭한 대안으로서 탄소나노튜브가 사용된다 ”고 했다.

본 연구는 물이 용매로 사용되고 추가 도펀트가 사용되지 않기 때문에 다른 공정보다 친환경적이고, 직 물이나 옷에 내장하거나 특이한 모양과 폼 팩터에 적용될 수 있다.

연구성과는 미국물리학회 출판 그룹의 Applied Physics Letters 온라인판에 게재되었다(Applied Physics Letters, 2021; 118(17): 173901 DOI: 10.1063/5.0042349).

출처: 2021. 4. 27. Science Daily/American Institute of Physics (www.sciencedaily.com/releases/2021/04/21042- 7110648.htm)

작성: 손 희 상 (광운대학교)