열을 전기로 바꾸는 구부려지는 실리콘 열전모듈 최초 개발- 웨어러블 디바이스, 메디컬 센서 등에 적용

열을 전기로 바꾸는 구부려지는 실리콘 열전모듈 최초 개발- 웨어러블 디바이스, 메디컬 센서 등에 적용

 

등록일 2016-12-22

 

 

 

열을 전기로 바꾸는 구부려지는 실리콘 열전모듈 최초 개발
- 웨어러블 디바이스, 메디컬 센서 등에 적용 기대 -
 

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 김상식 교수(고려대) 연구팀이 실처럼 가늘고 구부리기 쉬운 실리콘 나노선으로 열을 전기로 바꾸는 열전 모듈*을 최초로 개발했다고 밝혔다.
  *열전모듈: 반도체에 열을 가하게 되면 내부에 있는 전하는 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하게 됨. 열전모듈은 이러한 원리를 이용하여 열을 전기로 바꾸는 소자이며 n형과 p형 반도체로 구성됨.

□ 연구팀은 현재 사용되는 반도체 CMOS 공정*을 이용하여 정밀히 조절된 열전 특성을 갖는 단결정 실리콘 나노선*을 제작하고 이를 구부러질 수 있는 기판에 적용한 고성능 유연 열전모듈을 구현하였다. 이는 그 동안 기술이 개발되었다 하더라도 실리콘 반도체에 적용이 어려웠던 기존 연구와는 차별화된다.
*CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)공정 :  전자소자 제작에 일반적으로 활용하는 반도체 공정
*단결정 실리콘 나노선 : 원자가 규칙적으로 배열하여 결정을 이룬 나노 두께의 실리콘 선

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

□ 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 유지되었다.
        *유기물 기반 유연 열전모듈 : 탄소가 함유된 단분자, 고분자 등의 유기물을 이용하여 만든 구부릴 수 있는 열전모듈

□ 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 변환하여 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 수행되었으며, 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머테리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 12월 5일자에 게재되었다. 

<참고자료>   1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명
             6. 연구자 이력사항

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Flexible thermoelectric generators composed of n-and p-type silicon nanowires fabricated by top-down method 
   - 저자 정보 : 김상식 교수(교신저자, 고려대학교 전기전자공학과), 조경아 연구교수(교신저자, 고려대학교 전기전자공학과), 최진용 박사과정 연구원(제1저자, 고려대학교 전기전자공학과)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 열전모듈은 생활환경에서 버려지는 폐열을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 에너지 하베스팅 소자*로 각광받고 있다. 특히 유연 열전모듈은 착용이 가능한 웨어러블 기기의 전원 장치 또는 메디컬 센서 전원 장치로 활용할 수 있어 주목 받고 있다.
           *에너지 하베스팅 소자 : 주변 환경에서 접할 수 있는 태양광, 풍력, 조력, 마찰, 압력, 열 등을 수집하여 전기에너지로 바꿔주는 소자
   ○ 기존 벌크 열전소재는 딱딱한 특성 및 독성으로 인해 착용이 가능한 웨어러블 기기와 의료용 센서에 활용이 어려우며, 유기물 기반 열전소재 역시 낮은 전기전도도 특성으로 활용이 쉽지 않은 것으로 알려져 있다. 따라서 인체에 무해하고 열전변환 성능이 우수한 열전재료의 개발과 이를 이용한 유연 열전모듈 구현 기술이 필요하다.
        *벌크 열전소재 : 가공하지 않은 상태로 사용되는 열전재료

 2. 연구내용
   ○ 이 연구에서는 기존 반도체 공정을 이용하여 전기전도도와 열전도도를 분리 제어 가능한 실리콘 나노선을 제작하여 열전변환 성능이 14.2mW/(m·K2)인 고성능 유연 열전모듈을 구현하였다.
   ○ 이 유연 열전모듈에서는 실리콘 나노선의 두께 조절과 표면처리를 통하여 전자는 자유롭게 통과하고 포논*은 산란시킴으로써 전기전도도는 실리콘 벌크와 비슷하게 유지하고 열전도도는 5분의 1 이하로 낮추어서 열전변환 성능을 향상시켰다.
           *포논 : 결정 격자의 열진동 에너지를 양자화한 준입자

   ○ 또한 유연 열전모듈이 외부로부터 힘을 받을 때 나타나는 실리콘 나노선의 격자 분열과 에너지 필터링 현상을 관찰하였고, 유연 열전모듈의 구부림 정도가 커짐에 따라 증가하는 격자 분열과 에너지 필터링이 제백 계수* 향상에 크게 기여하는 것을 밝혀냈다.
        *제벡 계수 : 물질 내부에 있는 온도 차이와 이에 따라 발생하는 전압을 결정하는 물질 고유의 계수이며, 제벡 계수는 열을 전기로 변환하는 성능(또는 파워팩터)을 결정하는 중요한 요소임.

3. 연구 성과
   ○ 이 연구에서는 실리콘 나노선 유연 열전모듈을 세계 최초로 구현하고, 유기물 기반 유연 열전모듈의 열전변환 성능보다 100배 이상 향상된 고성능 유연 열전모듈을 개발하였다.
   ○ 기존 반도체 공정인 CMOS 공정을 활용하여 제작된 실리콘 나노선은 대면적 공정이 가능하므로 유연 열전모듈의 상업화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
   ○ 구부러지는 열전모듈기술은  사람의 체온 및 전자제품의 폐열을 능동적으로 회수하는 기술로 노트북, 휴대폰, 의류 등 광범위하게 응용이 가능하며, 특히 충전이 필요 없는 웨어러블 전자기기 및 메디컬 센서 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경

 ㅇ 다양한 웨어러블 디바이스들이 계속적으로 개발되고 있으며, 일부 메디컬 센서는 저전력으로도 구동이 가능하도록 개발되었다. 최근 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 열전소자의 발전으로 인해 열전모듈을 저전력 메디컬 센서 전원장치에 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만, 기존 벌크 열전소재인 비스무스화합물이나 납화합물은 딱딱한 특성 및 독성으로 인해, 착용 가능한 메디컬 센서 전원장치로 활용이 어려우며 유기물 기반 열전소재 역시 낮은 열전변환 성능으로 인해 활용 가능성이 낮다.
 ㅇ 실리콘 나노선은 전기전도도와 열전도도를 독립적으로 제어할 수 있으며 유연한 기계적 특성으로 유연 열전소자에 이상적인 열전재료이다. 실리콘 나노선은 기존 반도체 공정기술인 CMOS공정을 이용하여 제작되므로 전기전도도는 실리콘 벌크와 비슷하게 유지하고, 열전도도는 나노선의 크기와 표면 거칠기 조절로 인해 벌크 실리콘에 비해 5분의 1정도로 낮아지게 된다. 그러나 아직까지 실리콘 나노선은 열전발전의 기본단위가 되는 열전모듈(thermoelectric module)로 유연기판 위에 제작된 바가 없다. 유연 열전모듈은 n형과 p형 반도체가 열적으로는 병렬연결이 되고 전기적으로는 직렬연결이 되는 구조로 유연기판 위에 제작되어야 한다.

 2. 연구내용
 ㅇ 이 연구에서는 기존 반도체 공정기술인 CMOS 공정을 통해 n형과 p형 실리콘 나노선을 제작하고, 습식 에칭*을 한 후 유연기판위에 직접 전사*하여 pn 열전모듈을 제작하였다. 습식 에칭은 나노선 표면을 나노스케일로 거칠게 만들며, 거친 표면은 포논 산란을 증가시켜 열전도도 감소에 기여한다.
        *습식 에칭 : 액체의 약품을 사용하여 원하는 형태로 표면을 가공하는 기술
        *전사 : 어떤 기판에서 제작된 패턴이나 구조물을 손상 없이 떼어내어 다른 기판으로 옮기는 방법

 ㅇ 일차원 열전재료의 열전도도 측정이 가능한 방법을 새로이 개발하여, n형과 p형 실리콘 나노선의 열전도도를 측정하였으며, 웨어러블 디바이스 및 피부 부착형 메디컬 디바이스에 적용하기 위해 열전모듈의 휘어지는 정도에 따라 특성 분석을 수행하였다.
 ㅇ 유연 열전모듈의 안정성을 알아보기 위해 구부렸다 폈다를 3000번 반복하여 출력 전압 변화를 관찰하였다. 그 결과, 출력 전압에는 큰 변화가 없음을 확인하였다.
 ㅇ 이 연구에서 구현된 실리콘 나노선 유연 열전모듈은 현재까지 보고된 바 없는 고성능 유연 열전모듈로, 웨어러블 디바이스와 피부 부착형 메디컬 디바이스에 실제 적용이 가능하다는 점을 제시하였다는 것에 의의가 있다.

3. 기대효과
 ㅇ 실리콘 나노선 유연 열전모듈은 기존 반도체 제조 방법 이외에 복잡한 추가공정 없이 유연기판에 직접 전사하여 만들 수 있으므로 대면적 유연 열전모듈 제작에 적용할 수 있다. 특히, 실리콘 나노선은 지금까지 연구되어온 희귀물질 및 독성 물질의 열전재료가 아니며, 유기물처럼 외부 환경에 민감하지 않다는 점에서 피부 부착형 메디컬 센서 등 웨어러블 디바이스의 전원으로 활용이 가능하다. 이는 유연 열전모듈 상용화에 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다. 
 ㅇ 일차원 재료의 열전도도 측정을 위해서는 복잡하고 어려운 공정이 필요하였다. 그러나 이 연구에서 제시된 열전도도 측정기법을 활용하면 일차원 재료뿐만 아니라 모든 종류의 열전재료에 대해서 간편하고 정확하게 열전도도를 측정할 수 있다. 또한 휘어진 상태의 열전재료에 대해서도 열전도도 측정이 가능하여, 유연 열전시스템의 실질적인 열전변환 특성파악에 도움이 된다. 본 측정기법은 고성능 유연 열전모듈 개발의 기반기술로 활용될 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

실리콘은 전기적 특성이 우수하여 다양한 전자소자 제작에 사용되고 있으나 열을 전기에너지로 변환하는 열전모듈에는 열악한 열전도도 특성 때문에 사용되고 있지 않다. 전자와 포논을 독립적으로 제어가 가능한 실리콘 나노선을 제작하면 우수한 전기적 특성은 그대로 유지 하면서 열전도도 특성은 개선할 수 있어서, 실리콘도 열전모듈로 널리 사용될 수 있겠다고 생각했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구실은 2013년부터 저차원 나노물질을 이용한 유연 열전소자의 성능 향상과 응용에 관한 연구를 꾸준히 수행해 왔다. 저차원 나노물질은 벌크와 다르게, 전기전도도와 열전도도를 분리하여 제어 가능하며 기계적 특성이 우수하여 휘어짐이 가능하다는 사실을 본 연구를 통하여 확인을 하였다. 본 연구실에서는 에너지 하베스팅 소자 이외에 다양한 유연 전자소자에 대한 연구를 2000년대 초부터 지속적으로 수행하면서 축적된 기술을 기반으로 고성능 실리콘 나노선 유연 열전모듈을 구현할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

열전모듈은 마이크로미터 정도의 크기를 가져서 정확한 온도 측정이 어려우며, 보통 저항을 통한 온도측정을 하나 복잡한 교정과정과 추가 공정이 필요하다. 본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위해 열영상 카메라와 프로브스테이션을 연동하여 실시간으로 온도를 측정할 수 있는 열영상 시스템을 구축하였다. 구축된 열영상 시스템은 30 밀리켈빈의 민감도와 25 마이크로미터 단위의 분해능을 가진다. 본 연구실에서 구축된 열영상 시스템으로 간편하고 정확하게 온도 측정을 할 수 있었고, 동시에 전기전도도와 제벡계수 측정도 가능하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

실리콘 나노선 유연 열전모듈 구현은 세계 최초로 이루어진 것이며, 성능에 있어서도 지금까지 보고된 유연 열전모듈 중에서 최고 수준에 달한다. 또한, 기존 반도체 공정기술 활용이 가능하므로, 유연 열전모듈의 상업화를 앞당길 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이 연구를 토대로 실리콘 나노선 유연 열전모듈의 성능을 더욱 더 향상시켜, 사람의 체온을 통한 전기에너지 발전이 실용적인 수준까지 가능하도록 하고, 이를 이용하여 체온으로 작동되는 웨어러블 디바이스와 메디컬 디바이스를 실현시키고자 하는 목표를 가지고 있다.

용 어 설 명

1. 유연 열전모듈
  ○ 굽히거나 접을 수 있는 열전모듈로, n형 반도체 물질과 p형 반도체 물질로 구성되어 있다. 두 물질은 전기적으로 직렬연결 되며, 열적으로는 병렬연결 되어 온도차이가 발생되면 내부에 있는 전하가 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하여 전압을 발생시킨다.

2. 파워 팩터 ( Power factor )
  ○ 열을 전기로 변환하는 성능 지표중 하나로 제벡계수 제곱과 전기전도도를 곱한 값으로 표현된다. 

3. 제벡 계수
  ○ 물질 내부에 있는 온도 차이와 이에 따라 발생하는 전압을 결정하는 물질 고유의 계수이며, 제벡 계수는 열을 전기로 변환하는 성능(또는 파워팩터)을 결정하는 중요한 요소이다.

4. CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 공정
  ○ 전자소자 제작에 일반적으로 활용하는 반도체 공정이다.

5. 단결정 실리콘 나노선
  ○ 원자가 규칙적으로 배열하여 결정을 이룬 나노 두께의 실리콘 선으로 트랜지스터, 메모리, 센서, 열전소자 등 다양한 분야에 쓰인다.

6. 포논
  ○ 결정격자의 열진동 에너지를 양자화한 준입자이다.

7. 평균자유행로
  ○ 입자가 다른 입자와 충돌하는 순간부터 다음 충돌이 일어날 때까지 움직일 수 있는 평균거리이다.

8. 유기물 기반 유연 열전모듈
  ○ 탄소가 함유된 단분자, 고분자 등의 유기물을 이용하여 만든 구부릴 수 있는 열전모듈이다.

9. 에너지 하베스팅 소자
  ○ 주변 환경에서 접할 수 있는 태양광, 풍력, 조력, 마찰, 압력, 열 등을 수집하여 전기에너지로 바꿔주는 소자이다.
 
10. 벌크 열전소재
  ○ 가공하지 않은 상태로 사용되는 열전재료이다.

11. 습식 에칭
  ○ 액체의 약품을 사용하여 원하는 형태로 표면을 가공하는 기술이다.

12. 전사
  ○ 어떤 기판에서 제작된 패턴이나 구조물을 손상 없이 떼어내어 다른 기판으로 옮기는 방법이다.

그 림 설 명

 

         (그림 1) 실리콘 나노선을 이용한 유연 열전모듈

그림(a)는 실리콘 나노선 n형과 p형을 전기적으로 직렬연결하고 열적으로 병렬연결하여 모듈을 구성한 열전모듈 도식도이며, 이를 실제로 제작한 열전모듈의 광학 사진과 전자현미경 사진이 그림(b)임.

   
    

      
        (그림 2) 유연 열전모듈의 구부림 정도에 따른 열전특성 변화와 피로도 테스트
왼쪽 그림은 실리콘 나노선 열전모듈의 대표 성능 지표인 파워팩터가 기판의 구부림 정도에 따라서 급격히 상승하는 현상을 보여주고 있고, 오른쪽 그림은 3000회까지 반복적으로 구부려도 유연 열전모듈은 안정된 전압을 발전하고 있음을 보여주고 있다.