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극한의 환경에서도 적용가능 열전 소재 최초 개발
스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용될 수 있으며, 극한의 환경에서도 안정적인 열 에너지 성능을 유지할 수 있는 열전 소재가 한국 연구진에 의해 개발되었다. 기존 열전 소재 분야의 오랜 난제였던 열전 소재의 성능과 기계적 유연성 간의 딜레마를 획기적으로 해결하였고 상용화 가능성을 입증하기도 했다.
우리 대학 신소재공학과 정연식 교수와 기계공학과 박인규 교수 공동 연구팀이 국립한밭대학교 오민욱 교수, 한국기계연구원(원장 류석현) 정준호 박사 연구팀과 협업을 통해, 차세대 유연 전자소자를 위한 혁신적인 에너지 수확 솔루션인 ‘비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 열전 섬유’를 개발하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.
열전 소재는 온도 차이가 있을 때 전압을 발생시켜 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소재로, 현재 약 70%의 에너지가 폐열로 사라지는 상황에서 이러한 폐열을 회수해 재활용할 수 있는 지속가능한 에너지 물질로 주목받고 있다.
우리 주변의 열원은 인체, 차량 배기구, 냉각 핀 등 대부분 곡면 형태를 띠고 있다. 세라믹 재료 기반의 무기 열전 소재는 높은 열전 성능을 자랑하지만 깨지기 쉬워 곡선형 제작이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 기존 고분자 바인더를 사용한 유연 열전 소재는 다양한 형상의 표면에 적용할 수 있지만 고분자의 낮은 전기전도성과 높은 열 저항으로 인해 성능이 제한적이었다.
기존 유연 열전 소재는 유연성 확보를 위해 고분자 첨가제가 들어가지만, 이는 소자 성능에 심각한 제약을 가져오는 문제가 있었다. 연구팀이 개발한 무기 열전 소재는 첨가제 대신 나노 리본을 꼬아 실 형태의 순도 100% 열전 소재를 제작하는 방식으로 이러한 한계를 극복했다.
무기 나노 리본의 유연성에서 아이디어를 착안한 연구팀은 나노몰드 기반 전자빔 증착 기술을 사용해 나노 리본을 연속적으로 증착한 후 이를 실 형태로 꼬아 비스무트 텔루라이드(Bi2Te3) 무기 열전 섬유를 제작했다.
이 무기 열전 섬유는 기존 열전 소재보다 높은 굽힘 강도를 지니며 1,000회 이상의 반복적인 구부림과 인장 테스트에도 전기적 특성 변화가 거의 나타나지 않았다. 연구팀이 만든 열전소자는 온도차를 이용해 전기를 생산하는 소자로 섬유형 열전소자로 옷을 만들면 체온으로부터 전기가 만들어져서 다른 전자제품을 가동시킬 수도 있다.
실제로 구명조끼나 의류에 열전 섬유를 내장해 에너지를 수집하는 시연을 통해 상용화 가능성을 입증했다. 또한 산업 현장에서는 파이프 내부의 뜨거운 유체와 외부의 차가운 공기 사이의 온도 차를 이용해 폐열을 재활용하는 고효율 에너지 수확 시스템을 구축할 가능성도 열었다.
정연식 교수는 "이번 연구에서 개발된 무기 유연 열전 소재는 스마트 의류와 같은 웨어러블 기기에서 활용될 수 있으며, 극한의 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 향후 추가 연구를 통해 상용화될 가능성이 크다”고 말했다. 또한 박인규 교수는 “이 기술은 차세대 에너지 수확 기술의 핵심이 될 것이며, 산업 현장의 폐열 활용부터 개인용 웨어러블 자가발전 기기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.”고 강조했다.
우리 대학 신소재공학과 장한휘 박사과정 학생과 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’9월 17일 字 온라인판에 게재되었으며, 연구의 우수성을 인정받아 후면표지(Back cover)논문으로 선정되었다. (논문명: Flexible All-Inorganic Thermoelectric Yarns)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단 중견연구자지원사업, 미래소재디스커버리사업, 글로벌 생체융합 인터페이싱 소재 센터, 산업통상자원부와 한국산업기술평가원(KEIT)의 지원 아래 수행됐다.
2024.10.21 조회수 1307 -
이건재 교수, 유연고집적회로의 연속적패키징 기술 개발
〈 이 건 재 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수와 한국기계연구원 김재현 박사 공동 연구팀이 롤 기반 공정을 통해 플렉서블 기기의 핵심기술인 유연 고집적회로를 연속적으로 패키징(소자와 전자기기를 연결하는 전기적 포장) 및 전사(轉寫)할 수 있는 기술을 개발했다.
또한 개발된 롤 기반 전사 및 패키징 기술을 유연 낸드플래시 메모리(전원이 끊겨도 저장된 데이터를 잃어버리지 않는 비휘발성 메모리의 일종)에 적용하는데 성공했다.
이번 연구 결과는 재료과학 분야 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 7월 20일자 온라인 판에 게재됐다.
롤 공정(유연기판을 회전하는 롤에 감으며 동시에 공정을 진행하는 방식) 기반의 유연전자 생산기술은 높은 생산효율을 바탕으로 웨어러블 및 플렉서블 기기 상용화에 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
그러나 지금까지는 고집적회로를 롤 공정으로 구현하는 방법 및 주변회로와 상호 연결하는 패키징 기술이 해결되지 않아 실용화에 한계가 있었다.
문제 해결을 위해 연구팀은 기존 반도체 공정을 이용해 실리콘 기판에 낸드 플래시 메모리를 형성한 후 수백 나노미터(10분의 1m) 두께로 얇게 만들었다.
그 후 개발한 롤 기반 전사 및 패키징 기술을 통해 소자를 유연기판에 옮기는 동시에 이방성 전도 필름을 이용해 상호 연결하는 기술을 구현했다.
연구팀의 최종적인 실리콘 기반 유연 낸드플래시 메모리는 반복적인 휘어짐에도 모든 기능이 정상적으로 동작했고 외부와의 상호연결도 매우 안정적으로 유지됐다.
개발된 롤 기반 유연 고집적회로 기술은 유연 어플리케이션 프로세서(AP), 고집적 메모리, 고속 통신소자 등의 양산에 응용 가능할 것으로 기대된다.
이 교수는 “높은 생산성을 지닌 롤 기반 전사 기술을 이용해 단결정 실리콘 박막 고집적회로를 유연한 인쇄회로 기판 위에 패키징하는 생산기술을 확보했다”며 “향후 유연 디스플레이 및 배터리 기술과 함께 휘어지는 컴퓨터 구현의 핵심 생산 기술이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
김재현 박사는 “한국기계연구원이 보유한 롤 기반 전사 기술을 이용해 단결정 실리콘 고집적소자를 유연한 폴리머 인쇄회로 기판 상에 손상 없이 전사함과 동시에 소자와 인쇄회로기판이 전기적으로 연결되도록 하는 롤 기반의 생산 공정 기술을 개발하였다”며 “이 기술은 향후 고성능 전자 소자를 유연 기판 위에 형성해 사물인터넷 및 웨어러블용 고성능 전자기기를 제조하는 핵심 생산 기술이 될 것으로 전망한다.”라고 말했다.
이건재 교수는 2013년도에 0.18 씨모스(CMOS) 공정기반으로 컴퓨터의 두뇌에 해당하는 휘어지는 유연 고집적회로를 최초로 구현했다. 특히 반도체분야 최고 권위학회인 국제반도체소자학회(IEDM)에서 초청받아 발표하는 등 세계적인 주목을 받았다.
한국기계연구원 김재현 박사 연구팀은 2009년부터 롤 스탬프를 이용해 박막소자를 옮기는 기술을 연구하고 있다. 관련 롤 전사 장비 기술을 디스플레이 및 반도체 용도의 롤 장비 회사에 기술이전하기도 했다.
이번 연구는 2013년부터 진행된 한국기계연구원의 나노소재 응용 고성능 유연소자기술 기반구축사업의 일환으로 수행됐다. 이건재 교수는 교원창업을 통해 유연한 고집적회로 관련 기술 상용화를 계획 중이다.
□ 그림 설명
그림1. 연속 롤-패키징 공정의 개요 모식도
그림2. 제작된 유연 실리콘 낸드 플래시메모리
2016.09.01 조회수 15813 -
물에 뜨고 오래가는 인공근육 개발
내구성이 뛰어나면서도 물에 뜨는 인공근육이 개발됐다. 모터 없이도 로봇을 움직이는데 활용될 수 있으며 향후 인간의 근육도 대체가능할 것으로 기대된다.
우리 학교 해양시스템공학전공 오일권 교수와 김재환 박사과정 학생은 한국기계연구원 임현의 박사와 공동으로 그래핀을 이용해 기존보다 10배 이상 오랫동안 작동할 수 있으면서도 물에 뜨는 인공근육을 개발했다.
연구결과는 나노 분야 세계적 학술지 ‘ACS Nano’ 최근호에 게재됐다.
인간의 근육을 모방한 이온성 고분자 인공근육은 소음이 없고 구조가 간단한 것은 물론 단위 부피당 출력이 높아 기계식 모터와 유압식 작동기를 대체할 수 있어 많은 관심을 받아왔다. 그러나 백금 전극 표면에 존재하는 균열을 통해 내부 전해액이 빠져나가 내구성이 부족해 상용화가 어려웠다.
오 교수 연구팀은 귀금속인 백금과 비슷한 전기전도성을 가지면서도 그래핀 입자간 거리가 좁은 그래핀 종이를 전극으로 활용했다.
연구팀은 환원된 그래핀 산화물 입자를 두껍게 쌓아 5㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 두께로 제작한 종이형태의 전극을 제작해 액체투과성 실험을 한 결과 전해액이 거의 빠져나가지 않았다. 내부 전해액 이온의 크기보다 그래핀의 입자간 공간이 좁기 때문이다.
연구팀은 그래핀 전극이 이온성 고분자와 맞닿는 부분엔 레이저 처리를 통해 표면적을 늘려 접착성을 높였다. 이에 따라 인공근육의 움직임에 대한 내구성도 확보했다.
기존 백금전극으로 만들어진 인공근육은 4.5V(볼트), 1Hz(헤르츠) 조건으로 6시간 동안 실험한 결과, 30분이 지난 후 움직임이 절반 이하로 떨어졌다. 반면 오 교수 연구팀이 개발한 인공근육은 동일 조건에서 성능이 지속적으로 유지되며 안정적으로 작동이 가능했다.
이와 함께 전극으로 사용된 그래핀은 물을 밀어내는 성질이 있어 개발된 인공근육 역시 물어 잘 뜨고 쉽게 구할 수 있어 저렴한 가격으로도 제작가능하다고 연구팀은 전했다.
이처럼 물에 뜨고 내구성이 향상된 인공근육의 원천기술은 향후 △생체로봇 △유연 전자소자 △부드러운 햅틱 디바이스 △생체 의료기기 등 최근 각광 받고 있는 차세대 핵심 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구를 주도한 오일권 교수는 “이번에 개발한 그래핀 기반 인공근육은 간단히 전극만을 교체해 기존에 알려졌던 작동기의 근본적인 문제를 해결했다”며 “수년 내 응용전자소자를 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.
그림1. 연구팀이 개발한 그래핀 기반 인공근육(사진)
그림1-1. 연구팀이 개발한 그래핀 기반 인공근육(그래픽)
그림2. 인공근육이 6V 전압을 인가했을 시 작동하는 모습
그림3. (a)기존 무전해 도금으로 제작된 이온성 고분자-금속 복합체 작동기 (b)연구팀이 개발한 환원된 그래핀 산화물 페이퍼 전극 기반의 이온성 고분자-그래핀 복합체 작동기.
그림4. 레이저 처리된 환원된 그래핀 산화물 페이퍼 전극의 제작 과정.
그림5. (a) 물이 전해액일 때의 IPMC 작동기와 IPGC 작동기의 성능 지속성 실험 결과와 (b) 60℃의 오븐에서 12시간 이상 건조 후 실험 결과. (c),(d)이온성 액체가 전해액일 때의 IPMC 작동기와 IPGC 작동기의 성능 지속성 실험 결과. (e),(f) IPGC 작동기의 굽힘 거동 성능과 곡률.
2014.05.08 조회수 17279 -
소금쟁이 착안해 나노박막 물성 측정법 개발
-“수 nm 두께 나노박막의 기계적 물성도 손쉽게 측정할 수 있어”-- 네이처 커뮤니케이션즈 3일자 게재 -
우리 학교 기계공학과 김택수 교수와 한국기계연구원(원장 최태인) 나노역학연구실 현승민 박사 공동연구팀은 물 표면의 특성을 이용해 나노박막의 기계적 물성을 평가하는 새로운 방법을 개발했다.
연구결과는 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)" 3일자 온라인판에 게재됐다.
이번에 개발된 기술을 활용하면 직접 측정하기 어려운 나노박막의 강도, 탄성 등 기계적 물성을 직접 측정해 정확한 결과 값을 얻을 수 있다. 또 방법이 간단해 나노박막 기계적 물성 평가의 새로운 패러다임을 제시한 것으로 학계와 산업계는 평가하고 있다.
나노박막의 기계적 물성 평가는 반도체, 디스플레이 등의 신뢰성을 예측하는데 중요한 것은 물론 나노 세계의 새로운 현상을 발견하는데도 필요하다. 그러나 기계적 강도는 구조물이 바닥으로부터 떨어져 측정을 하는데 나노박막의 경우 쉽게 부서지는 문제점이 있어 시험이 어려웠다.
연구팀은 소금쟁이와 같은 곤충이 물의 표면 위를 자유로이 떠다니는 것에 착안했다.
연구팀은 표면 장력이 크고 낮은 점성을 갖는 물의 특성을 이용해 물 표면에 약 55nm(나노미터) 금나노박막을 띄워 놓고 손상 없이 기계적 물성을 정확하게 특정하는데 성공했다.
이 기술을 이용하면 다양한 종류의 나노박막 뿐만 아니라 두께가 수 나노미터에 이르는 박막의 기계적 물성까지도 측정할 수 있을 것으로 기대된다.
김택수 교수는 이번 연구에 대해 “물의 특성을 이용한 새로운 강도 시험 방법의 개발을 통해 기존에 접근하기 어려웠던 나노박막의 기계적 물성 평가를 효과적으로 수행할 수 있게 됐다”고 의의를 밝혔다.
또 “향후 기존의 강도 시험법으로는 측정이 불가능했던 그래핀과 같은 2차원 나노박막의 기계적 물성을 밝혀나갈 계획”이라고 말했다.
KAIST 기계공학전공 김재한 박사과정(제1저자) 학생이 KAIST 김택수 교수, 한국기계연구원 현승민 박사의 지도를 받아 수행한 이번 연구는 한국연구재단 신진연구지원사업, 한국기계연구원 주요연구 사업과 21세기 프론티어 사업의 지원으로 수행됐다.
<물 표면을 이용한 나노박막의 기계적 물성 평가 과정>
<왼쪽에서부터 현승민 박사, 김재한 박사과정생, 김택수 교수 (카이스트, 한국기계연구원 공동 연구팀)>
2013.10.14 조회수 16840