한국연구재단(이사장 조무제)은 고려대 김상식 교수 연구팀이 수십 나노미터 굵기의 얇은 실리콘 나노선을 이용해 효율이 높은 열전소자를 개발했다고 21일 밝혔다. 

열전소자는 소자 양 끝의 온도차를 이용해 열 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 일종의 반도체다. 자동차 엔진이나 배기가스, 태양열 등 일상생활에서 버려지는 열을 재활용할 수 있어 신재생 에너지원으로 각광받고 있다. 

기존에 개발된 열전소자는 유연하지 않아 활용도가 떨어지고, 전기전도도가 낮아 전기발생 효율이 낮은 단점이 있다. 

연구팀은 전자소자 제작에 일반적으로 활용하는 반도체 공정인 CMOS 공정을 이용해 정밀히 조절된 열전 특성을 갖는 단결성 실리콘 나노선을 제작하고 이를 구부러질 수 있는 기판에 적용한 고성능 유연 열전소자를 개발했다. 

연구팀이 개발한 실리콘 나노선은 개발된 실리콘 나노선 열정모듈은 전자와 포논(결정격자의 열진동 에너지를 양자화한 준입자)의 평균자유행로 차이를 이용해 전기전도도의 큰 손실 없이 열전도도를 1/5 이하로 줄여서 열전변환 성능을 최대한 향상시켰다. 

특히 구부린 상태에서도 열을 전기로 바꾸는 성능이 14.2mW/(m·K2)으로 나타났다. 이는 기존의 유기물 기반 유연 열전모듈보다 100배 이상 높은 것이다. 

김상식 교수는 "이번 연구성과는 열을 전기로 바꾸는 것이 어렵다고 알려진 실리콘 반도체를 기반으로 고성능 유연 열전모듈을 최초로 구현한 것"이라며 "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"고 말했다.

이번 연구성과는 미래창조과학부·한국연구재단의 기초연구사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머테리얼즈(Advanced Energy Materials)' 12월 5일자에 실렸다.