Non-reciprocal heat transfer advances flexible thermoelectric devices

기계나 인체에서 발생하는 열을 부피가 크고 시끄러운 팬이나 무거운 금속 방열판이 아니라, 직물처럼 느껴지는 얇고 유연한 시트로 관리할 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 열 차이를 전기로 바꾸거나, 반대로 전기를 사용하여 냉각을 만드는 데 오랫동안 매진해 온 분야인 열전 기술(thermoelectric technology)이 약속하는 미래입니다. 수십 년 동안 이러한 장치들은 근본적인 물리적 장애물에 의해 제한되어 왔습니다. 즉, 열은 자연스럽게 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 다시 흘러 들어와 장치가 수행하려는 작업을 무효화하려 한다는 점입니다. 이를 막기 위해 엔지니어들은 전통적으로 장치 뒷면에 커다란 경직된 히트싱크를 부착하여 열을 빠르게 배출해 왔습니다. 이는 효과적이긴 하지만, 이러한 무거운 부착물은 기술을 유연하고 착용 가능하게 만들려는 목적을 저해하며, 기술의 용도를 인체의 역동적인 요구가 아닌 정지된 전자 기기에 국한시킵니다.

연구팀은 이제 이 문제를 생각하는 다른 방식을 제안했습니다. 이는 힘으로 열의 흐름에 맞서 싸우는 대신, 구조적인 기교를 사용하여 열을 유도하는 방식입니다. 열이 이동하려는 방향에 따라 열을 다르게 취급하도록 장치를 설계함으로써, 그들은 외부 냉각 장치 없이도 스스로를 냉각할 수 있는 유연한 열전 유닛을 만들어냈습니다. 이 돌파구는 과거의 딱딱하고 무거운 냉각 시스템이 곧 스포츠 의학부터 응급 처치에 이르기까지 개인별 온도 조절이 가능한 가볍고 적응력 있는 시트로 대체될 수 있음을 시사합니다.

이 새로운 접근 방식의 핵심은 장치의 대칭성을 깨뜨리는 데 있습니다. 표준적인 열전 냉각기에서 내부 구조는 위아래가 동일하여, 마치 밸브가 없는 파이프를 통해 물이 흐르는 것처럼 열이 앞뒤로 쉽게 오갈 수 있습니다. 연구진은 장치 내부의 재료를 불균형하고 비대칭적인 패턴으로 배열함으로써 열의 일방통행로를 만들 수 있다는 사실을 깨달았습니다. 그들은 고체 열전 블록과 얇고 다공성인 박막(porous films)의 조합을 사용하여 장치를 제작했습니다. 이 박막은 장벽 역할을 합니다. 즉, 전기는 매우 잘 전달하지만 열 전도는 매우 떨어집니다. 장치에 전원이 켜지면, 뜨거운 끝단에서 생성된 열은 전도성이 높은 유연한 층을 통해 빠르게 밀려 나가는 반면, 다공성 박막은 동일한 열이 차가운 쪽으로 몰래 되돌아오는 것을 차단합니다. 이러한 방향성 제어는 냉각 능력을 필요한 곳에 효과적으로 가두고, 일반적으로 이러한 시스템을 괴롭히는 내부 에너지 손실을 방지합니다.

이 개념을 실현하기 위해 연구팀은 회로 기판을 인쇄할 때 흔히 사용되지만 고성능 열전 재료에는 거의 적용되지 않는 스크린 인쇄(screen printing) 기술을 사용했습니다. 그들은 특수 재료의 층을 유연한 기판 위에 인쇄하여, 얇고 구부릴 수 있을 뿐만 아니라 열의 흐름을 자연스럽게 저항하는 다공성 구조를 가진 장치를 만들었습니다. 선택된 재료들은 열 흐름은 최소화하면서 전기 흐름은 극대화하도록 신중하게 선정되었습니다. 비스무트(bismuth), 안티모니(antimony), 텔루륨(tellurium)을 포함하는 화합물은 내부 결정을 정렬시켜 전기 운반 능력을 높이도록 압력을 가해 처리되었습니다. 또 다른 재료인 은(silver)과 셀레늄(selenium)의 연성 화합물은 전기를 효율적으로 전달하면서도 부러지지 않고 구부러질 수 있는 유연성을 갖추기 위해 사용되었습니다. 그 결과, 반지름이 단 5mm인 타이트한 곡선까지 구부릴 수 있는 장치가 탄생했으며, 이는 웨어러블 응용 분야에 적합함을 입증했습니다.

연구진이 이 발명품을 테스트했을 때 결과는 놀라웠습니다. 외부 히트싱크나 냉각 팬을 부착하지 않고도, 장치는 약 22도씨의 실온에서 온도를 영하 7.03도까지 낮출 수 있었습니다. 이는 29.25도의 온도 차이를 나타내며, 무거운 냉각 부착물 없이 기존의 유연한 장치들이 달성했던 성과를 훨씬 뛰어넘는 수준입니다. 실제로 이 장치는 뜨거운 쪽과 차가운 쪽 사이에 65도가 넘는 온도 차이를 유지할 수 있었습니다. 더욱 인상적인 점은 장치가 높은 효율로 작동했다는 것입니다. 즉, 매우 적은 전력을 사용하여 이 냉각을 달성했는데, 이는 성능 계수(coefficient of performance)가 약 1.5에 달한다는 것을 의미합니다. 이는 온도 차이가 커질수록 효율 유지가 어려워지는 전통적인 설계들에 비해 상당한 개선입니다.

이 연구의 함의는 단순한 냉각을 넘어섭니다. 이 장치는 온도 차이가 발생할 때 전기를 생성할 수 있기 때문에, 연구진은 인체로부터 에너지를 수확하는 능력을 테스트했습니다. 그들은 7개의 유닛으로 구성된 장치를 사람의 팔에 부착하고, 사람이 가만히 앉아 있을 때와 걸을 때 발생하는 전압을 측정했습니다. 장치는 두 상태 모두에서 작지만 측정 가능한 전기적 전위를 생성했으며, 체온 차이가 커짐에 따라 움직임이 있을 때 출력이 증가했습니다. 이는 냉각에 사용되는 것과 동일한 기술이 소형 웨어러블 센서에 전력을 공급할 수 있는 자가 지속형 시스템, 즉 건강 모니터링을 위한 시스템을 만들 수 있음을 보여줍니다.

연구진은 이 설계가 일상생활의 온도 관리를 혁신할 수 있다고 믿습니다. 육중한 냉각 하드웨어의 필요성을 제거함으로써, 이 기술은 이전에 불가능했던 응용 분야의 문을 열어줍니다. 이 장치는 더운 기후에서 착용자를 시원하게 유지하거나 추운 곳에서 따뜻하게 유지하는 개인용 열 관리에 사용될 수 있습니다. 의료 분야에서는 무거운 장비 없이도 빙점 아래의 온도에 도달할 수 있는 능력이 스포츠 부상 치료, 부종 감소, 또는 국소 냉각을 통한 통증 완화 등에 활용될 가능성을 시사합니다. 팀은 심지어 전통적인 냉각 장치의 물류적 부담 없이 환자에게 직접 적용할 수 있는 휴대용 유연 아이스 캡(ice cap)을 사용하는 수술 현장까지 구상하고 있습니다.

현재의 프로토타입은 단일 유닛이지만, 연구진은 전력 생성을 위한 전압을 높이거나 더 큰 응용 분야를 위한 냉각 면적을 넓히기 위해 여러 유닛을 결합할 수 있음을 보여주었습니다. 스크린 인쇄와 흔한 재료의 사용은 이러한 장치가 저렴한 비용으로 대규모 생산이 가능함을 시사하며, 이를 통해 고급 열 관리를 광범위한 사용자에게 접근 가능하게 만듭니다. 이 연구가 열전 과학의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 장치의 내부 구조를 재고하여 열의 흐름을 제어함으로써 유연성과 고성능이 서로 배타적인 것이 아님을 명확하고 설득력 있게 보여주었습니다. 그 결과, 이 기술은 더 효율적일 뿐만 아니라 더 인간 중심적이며, 그것이 봉사하는 신체의 형태와 필요에 적응할 수 있는 기술이 되었습니다.