한국연구재단(이사장 조무제)은 김상식 교수(고려대) 연구팀이 실처럼 가늘고 구부리기 쉬운 실리콘 나노선으로 열을 전기로 바꾸는 열전 모듈을 최초로 개발했다고 21일 밝혔다. 

반도체에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전하는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 된다. 열전모듈은 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. 이는 그동안 기술이 개발됐다 하더라도 실리콘 반도체에 적용이 어려웠던 기존 연구와는 차별화된다.

CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정은 전자소자 제작에 일반적으로 활용하는 반도체 공정을 말한다.

단결정 실리콘 나노선은 원자가 규칙적으로 배열해 결정을 이룬 나노 두께의 실리콘 선이다.

개발된 실리콘 나노선 열전모듈은 전자와 포논(결정격자의 열진동 에너지를 양자화한 준입자)의 평균자유행로 차이를 이용해 전기전도도의 큰 손실 없이 열전도도를 5분의 1 이하로 줄여서 열전변환 성능을 최대한 향상시켰다. 
 
평균자유행로는 입자가 다른 입자와 충돌하는 순간부터 다음 충돌이 일어날 때까지 움직일 수 있는 평균거리이다.

특히 구부린 상태에서도 열을 전기로 바꾸는 성능(또는 파워팩터)이 14.2(밀리와트 퍼 미터 켈빈제곱 mW/(m·K2))으로 나타났다. 이는  기존의 유기물 기반 유연 열전모듈보다 100배 이상 높은 것이다. 이 성능은 반복해서 구부려도 일정하게 출력 전압이 유지됐다. 
 

유기물 기반 유연 열전모듈은 탄소가 함유된 단분자, 고분자 등의 유기물을 이용해 만든 구부릴 수 있는 열전모듈를 뜻한다.

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 변환해 우리 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 디바이스 전원,  피부 부착형 메디컬 센서 등에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

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