- 수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능 - 맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. 최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다. KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다. 이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다. 해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2)을 기록했다. 이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다. 정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”라면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”라고 전했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. * All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency [그림 1] 3차원 인쇄 기술을 이용한 고효율 열전소자 개발 전략 및 외부 환경에 의한 변형 하에도 안정적인 에너지 변환을 보여주고 있다 [사진 1] 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다 ○ 논문명: All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202204171 ○ 논문저자 - 황성권 학생연구원(제1저자/KIST 소프트융합소재연구센터,서울대학교), - 장두준 박사후연구원(제1저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 이병문 박사(제2저자/서울대학교) - 유용상 교수(제3저자/고려대학교) - 김희숙 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 정승준 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터)

- 수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능 - 맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. 최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다. KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다. 이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다. 해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2)을 기록했다. 이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다. 정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”라면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”라고 전했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. * All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency [그림 1] 3차원 인쇄 기술을 이용한 고효율 열전소자 개발 전략 및 외부 환경에 의한 변형 하에도 안정적인 에너지 변환을 보여주고 있다 [사진 1] 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다 ○ 논문명: All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202204171 ○ 논문저자 - 황성권 학생연구원(제1저자/KIST 소프트융합소재연구센터,서울대학교), - 장두준 박사후연구원(제1저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 이병문 박사(제2저자/서울대학교) - 유용상 교수(제3저자/고려대학교) - 김희숙 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 정승준 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터)

- 수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능 - 맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. 최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다. KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다. 이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다. 해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2)을 기록했다. 이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다. 정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”라면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”라고 전했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. * All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency [그림 1] 3차원 인쇄 기술을 이용한 고효율 열전소자 개발 전략 및 외부 환경에 의한 변형 하에도 안정적인 에너지 변환을 보여주고 있다 [사진 1] 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다 ○ 논문명: All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202204171 ○ 논문저자 - 황성권 학생연구원(제1저자/KIST 소프트융합소재연구센터,서울대학교), - 장두준 박사후연구원(제1저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 이병문 박사(제2저자/서울대학교) - 유용상 교수(제3저자/고려대학교) - 김희숙 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 정승준 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터)

- 수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능 - 맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. 최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다. KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다. 이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다. 해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2)을 기록했다. 이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다. 정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”라면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”라고 전했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. * All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency [그림 1] 3차원 인쇄 기술을 이용한 고효율 열전소자 개발 전략 및 외부 환경에 의한 변형 하에도 안정적인 에너지 변환을 보여주고 있다 [사진 1] 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다 ○ 논문명: All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202204171 ○ 논문저자 - 황성권 학생연구원(제1저자/KIST 소프트융합소재연구센터,서울대학교), - 장두준 박사후연구원(제1저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 이병문 박사(제2저자/서울대학교) - 유용상 교수(제3저자/고려대학교) - 김희숙 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 정승준 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터)

- 수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능 - 맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. 최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다. KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다. 이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다. 해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2)을 기록했다. 이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다. 정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”라면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”라고 전했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. * All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency [그림 1] 3차원 인쇄 기술을 이용한 고효율 열전소자 개발 전략 및 외부 환경에 의한 변형 하에도 안정적인 에너지 변환을 보여주고 있다 [사진 1] 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다 ○ 논문명: All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202204171 ○ 논문저자 - 황성권 학생연구원(제1저자/KIST 소프트융합소재연구센터,서울대학교), - 장두준 박사후연구원(제1저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 이병문 박사(제2저자/서울대학교) - 유용상 교수(제3저자/고려대학교) - 김희숙 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 정승준 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터)

- 수평 방향 뿐 아니라 수직 방향의 열에너지까지 모두 확보 가능 - 맞춤형 패치 타입의 대면적 열전소자로 활용 가능성 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 소자로, 낭비되는 열에서 전력을 생산할 수 있어 차세대 신재생 에너지 하베스팅 소자라고 불린다. 최근에는 사람의 피부처럼 굴곡진 열원에서도 효율적으로 사용할 수 있도록 유연하면서 가공성이 뛰어난 용액 기반의 소재를 사용한 열전소자에 관한 연구가 활발하다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동 연구팀이 직접 잉크 쓰기(DIW, Direct Ink Writing) 기술을 도입, 삼차원 구조체에 직접 프린팅이 가능하면서도 효율적으로 수직 방향으로의 열에너지를 확보할 수 있도록 단열 구조체가 포함된 초박막 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다. 열전소자는 보통 2차원의 필름 형태로 제작되어 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 확보해야 하는데, 이와 반대로 실생활에서 열에너지는 대부분 수직 방향으로 전달된다. 열전소자를 3차원 구조로 제작하여 수직 방향의 열에너지를 확보하기 위한 기존 연구는 소자의 크기가 크고 형태가 불안정하여 충격과 변형에 취약했다. KIST 연구팀은 열전소자 내에서 온도 차이를 극대화하기 위해 열전도도가 낮으면서 유연성과 신축성이 뛰어난 실리콘계 엘라스토머 소재로 소프트 절연 플랫폼을 제작했다. 이에 더해, 우수한 열전 특성을 가지는 탄소나노튜브(CNT) 잉크를 용매에 균일하게 분산시킴으로써 농도가 낮아 흘러내리거나 반대로 농도가 높아 뭉치지 않도록 최적화된 점도를 가지는 잉크를 제작했다. 이를 기반으로 3차원의 소프트 절연 플랫폼을 따라 직접 잉크 쓰기를 통해 제작한 열전소자는 안정적인 인쇄가 가능하며 높은 해상도로 패턴을 유지했다. 또한 굽힘이나 눌림과 같은 기계적 변형 하에서도 매우 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환해 열원 형태에 따라 에너지 변환 효율이 저하되는 기존 열전소자 한계를 극복했다. 해당 열전소자는 기존의 프린팅 공정 기반 소프트 열전소자 연구와 비교했을 때 가장 높은 에너지 변환 성능 (0.28 mV K-1 cm-2)을 기록했다. 이는 패치형 열전소자를 10×10 cm2 면적으로 제작했을 때, 체온만으로 생체 신호 또는 수면 패턴 모니터링 등과 같은 헬스케어 센서 또는 웨어러블 센서를 구동시킬 수 있는 수준이다. 정승준 박사는 “이번 연구성과는 패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드타입의 열전소자 제작 또한 가능하다”라면서, “앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 폐열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다”라고 전했다. 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 나노·소재기술개발사업과 학문후속세대양성사업, KIST 주요사업으로 수행된 이번 연구 성과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.698)에 후면 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다. * All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency [그림 1] 3차원 인쇄 기술을 이용한 고효율 열전소자 개발 전략 및 외부 환경에 의한 변형 하에도 안정적인 에너지 변환을 보여주고 있다 [사진 1] 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정으로 제작한 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다 ○ 논문명: All Direct Ink Writing of 3D Compliant Carbon Thermoelectric Generators for High Energy Conversion Efficiency ○ 학술지: Advanced Energy Materials ○ DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202204171 ○ 논문저자 - 황성권 학생연구원(제1저자/KIST 소프트융합소재연구센터,서울대학교), - 장두준 박사후연구원(제1저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 이병문 박사(제2저자/서울대학교) - 유용상 교수(제3저자/고려대학교) - 김희숙 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터) - 정승준 책임연구원(교신저자/KIST소프트융합소재연구센터)

안녕하십니까. 용인대학교 생명과학과 동아리 회장 김연희라고 합니다. 다름이 아니라 학과 동아리에서 한국과학기술연구원 견학을 진행하고 싶어서 견학 신청 등을 찾아보던 중, 중, 고교 학생들만을 대상으로 하는 신청 양식만 공지되어 있는 것을 확인하였습니다:) 따라서 대학생 대상 견학은 불가한 지 여쭙고자 질문을 남기게 되었습니다.

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)

- 상용 전해액인 유기카보네이트 구조 제어로 리튬이온전지의 화재 위험성 낮춰 - 기존 제조 인프라에 적용이 쉬워 고안정성 리튬이온전지의 상용화 기대 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지저장연구센터 이민아 박사와 KAIST 서동화 교수, 한국생산기술연구원(이하, KITECH) 김용진, 백자연 박사 공동연구팀이 리튬이온전지의 화재 및 열폭주를 억제하기 위해 선형 유기 카보네이트의 분자구조를 제어해 상온에서 불이 붙지 않는 난연성 전해액을 개발했다고 밝혔다. 전기자동차와 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 리튬이온전지의 보급이 확대되면서 화재·폭발에 대한 우려도 커지고 있다. 전지의 화재는 외부 충격, 노후화 등으로 전지의 단락 시 발생하는데, 연쇄적인 발열 반응을 동반하는 열폭주 현상으로 인해 화재 진압이 어려워 인명피해의 위험성이 높다. 특히, 리튬이온전지의 전해액으로 사용되는 선형 유기카보네이트 용액은 인화점이 낮아서 상온에서도 쉽게 불이 붙기 때문에 발화의 직접적인 원인이 되는 물질이다. 지금까지는 전해질의 난연성을 강화하기 위해 전해액 분자에 과량의 불소 원자를 치환하거나 고농도의 염을 녹여 용액을 제조했다. 이에 따라 전해질의 이온 전달 능력이 저하되거나, 상용 전극과의 호환성이 떨어지는 문제가 발생해 경제성과 대량 생산성 측면에서 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 상용 리튬이온전지 전해액에 사용되는 대표적 선형 유기카보네이트 DEC(diethyl carbonate) 분자에 알킬 사슬 연장과 알콕시 치환을 동시에 적용해 분자 간 상호작용과 리튬염의 용해 능력을 높임으로써 인화점과 이온전도도가 함께 강화된 신규 전해액 BMEC(bis(2-methoxyethyl) carbonate)를 개발했다. BMEC 용액은 인화점이 기존의 DEC 용액보다 90°C 더 높은 121°C로 이차전지 작동 온도에서 점화원 발생 시에 불이 붙지 않았다. 또한, DEC에 단순히 알킬 사슬을 연장한 DBC(dibutyl carbonate) 용액보다 더 강한 리튬염 해리가 가능해 난연성 강화 시 리튬 이온 전달이 느려지는 문제를 해결했다. 이와 함께 개발된 전해액은 충전된 양극과 함께 고온에 노출되어도 상용 전해액 대비 가연성 기체 발생이 37%, 발열이 62% 감소하는 것을 확인했다. 또한, 신규 전해액을 대표적인 상용 전극 소재인 하이니켈 양극, 흑연 음극으로 구성된 1Ah급 리튬이온전지에 적용 후 500회 이상 안정적으로 구동시켜 호환성을 확보했고, 70% 충전된 4Ah급 리튬이온전지에 관통 시험을 실시해 열폭주가 억제됨을 확인했다. KIST 이민아 박사는 “이번 연구성과는 불가피하게 전해액의 성능과 경제성 저하를 수반했던 기존 난연성 전해액 연구에 새로운 방향성을 제시한 것”이라며, “개발된 난연성 전해액은 우수한 경제성과 고에너지 밀도 전극 소재와의 호환성을 갖고 있어서 기존의 전지 제조 인프라에 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 궁극적으로 열적 안정성이 우수한 고성능 배터리의 등장을 앞당길 것”이라고 밝혔다. KITECH 백자연 박사는 “이번에 개발된 BMEC 용매는 저비용 촉매를 활용한 에스터교환반응(transesterification)으로 합성하여 손쉽게 스케일-업이 가능하다. 앞으로 C1가스(CO 또는 CO2)를 활용한 합성법을 추가로 개발하여 친환경성을 더욱 높일 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 국가과학기술연구회 선행융합연구사업(CPS21071-100), 한국연구재단 중견연구 과제(NRF-2021R1A2C2006243)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 및 환경과학 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF 32.5, JCR 분야 상위 0.4%) 최신호에 게재됐다. * Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries [그림 1] 고인화점 전해액 분자 설계 전략과 상온 점화 특성 비교 [그림 2 ] 상용 및 신규 전해액을 적용한 4Ah 파우치 셀 관통 시험 결과 ○ 논문명: Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries ○ 학술지: Energy & Environmental Science ○ 게재일: 2023. 5. 10.(온라인 게재), 2023. 7. 12.(7월호 표지 공개일) ○ DOI: https://doi.org/10.1039/d3ee00157a ○ 논문저자 - 이지나 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터), - 전아리 학생연구원(제1저자/KIST 에너지저장연구센터) - 이민아 선임연구원(교신저자/KIST 에너지저장연구센터) - 서동화 교수(교신저자/KAIST) - 백자연 선임연구원(교신저자/한국생산기술연구원)