- 고감도 정량검출이 가능한 바이오센서로 신경전달물질의 불균형을 측정 - 조현병, 우울증, 치매 등 다양한 정신 질환의 정확한 진단법으로 활용기대 과도한 스트레스와 평균수명의 증가로 현대인은 과거와 비교해 현저히 높은 비율로 조현병, 우울증, 불면증, 공황장애, 치매 등 다양한 형태의 정신질환을 앓고 있다. 그런데, 정신질환은 다른 질병과 달리 환자 행동과 판단에 기반해 의료진이 진단을 내리는 간접적인 진단법만을 활용하고 있어서 환자의 행동이상이 나타날 정도로 병이 진행된 상황에서만 진단이 가능했다. 또한 정밀한 진단을 위해 시행하는 MRI, CT, PET 검사 등은 비용이 비싸고 영상을 판독하는 과정에서 의사의 주관적인 판단이 개입된다는 문제가 있었다. 이에 뇌와 관련된 생체활동에 중요한 역할을 하는 체액 내 신경전달물질의 불균형을 정신질환의 지표로 활용하는 연구가 진행되었으나, 신경전달물질은 대부분 분자량이 매우 작고 유사한 화학구조를 가지고 있어 이를 선택적으로 검출하기 위해서는 액체 크로마토그래피 등 고가의 대형 장비와 전문인력이 필요했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체분자인식연구센터 정영도, 이관희 박사팀은 체액에서 신경 전달물질들을 구분하고 정확한 양을 측정할 수 있는 바이오센서를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 신경전달물질이 선택적으로 흡착될 수 있는 다공성 재료인 전도성 MOF를 필름 형태로 제작해 현장형 전기신호 센서에 적용했다. 각 신경전달물질들은 그 크기, 전하세기, 화학결합 친화도의 차이에 따라 MOF에 흡착되는 정도가 다르기 때문에 신경전달물질의 종류와 양에 따라 특이적인 전기 신호의 패턴을 만드는 바이오센서를 만들 수 있었다. 이 바이오센서는 화학구조가 유사한 여러 종의 신경전달물질을 정확하게 구분했고, 고감도 정량검출이 가능하다. 예를들어 우울증 환자에게서는 세로토닌이, 파킨슨 병 환자에서는 도파민이 낮은 농도로 관찰되는데 본 시스템을 활용하면 다종의 바이오센서 없이 한번에 여러 신경전달 물질의 불균형을 측정할 수 있다. 연구진은 “개발된 기술은 신경전달물질의 정량적 분석결과를 기반으로 정신질환을 조기에 진단할 수 있다는 장점이 있다. 추후 임상중개 연구로 확장해 MRI, CT 등 추가의 정밀검사가 필요한 대상을 스크리닝 할 수 있는 검진기술로 개발할 예정이다.”라며 향후 계획을 밝혔다. 본 성과는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 범부처(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처) 전주기의료기기연구개발사업단 KIST 출연금사업, KU-KIST, HY-KIST, 나노종합기술원 나노메디컬 디바이스 개발 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 결과는 화학공학 권위지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF: 16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Modular conductive MOF-gated field-effect biosensor for sensitive discrimination on the small molecular scale - (제 1저자) 한국과학기술연구원 금창준 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성욱 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김현노 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이관희 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정영도 선임연구원 ※ 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141079 [그림 1] (좌) MOF가 도입된 반도체 기반 바이오센서의 구조 (우) 바이오센서를 활용하여 신경전달물질을 전기적 신호 패턴을 통해 구분한 결과. 구조가 매우 비슷한 다종의 신경전달물질은 MOF에 선택적으로 흡착되며, 이에 따라 다른 전기신호 패턴을 나타냄. 패턴 분석을 통해 각 신경전달물질을 구분하고 정량적으로 검출함.

- 고감도 정량검출이 가능한 바이오센서로 신경전달물질의 불균형을 측정 - 조현병, 우울증, 치매 등 다양한 정신 질환의 정확한 진단법으로 활용기대 과도한 스트레스와 평균수명의 증가로 현대인은 과거와 비교해 현저히 높은 비율로 조현병, 우울증, 불면증, 공황장애, 치매 등 다양한 형태의 정신질환을 앓고 있다. 그런데, 정신질환은 다른 질병과 달리 환자 행동과 판단에 기반해 의료진이 진단을 내리는 간접적인 진단법만을 활용하고 있어서 환자의 행동이상이 나타날 정도로 병이 진행된 상황에서만 진단이 가능했다. 또한 정밀한 진단을 위해 시행하는 MRI, CT, PET 검사 등은 비용이 비싸고 영상을 판독하는 과정에서 의사의 주관적인 판단이 개입된다는 문제가 있었다. 이에 뇌와 관련된 생체활동에 중요한 역할을 하는 체액 내 신경전달물질의 불균형을 정신질환의 지표로 활용하는 연구가 진행되었으나, 신경전달물질은 대부분 분자량이 매우 작고 유사한 화학구조를 가지고 있어 이를 선택적으로 검출하기 위해서는 액체 크로마토그래피 등 고가의 대형 장비와 전문인력이 필요했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 생체분자인식연구센터 정영도, 이관희 박사팀은 체액에서 신경 전달물질들을 구분하고 정확한 양을 측정할 수 있는 바이오센서를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 신경전달물질이 선택적으로 흡착될 수 있는 다공성 재료인 전도성 MOF를 필름 형태로 제작해 현장형 전기신호 센서에 적용했다. 각 신경전달물질들은 그 크기, 전하세기, 화학결합 친화도의 차이에 따라 MOF에 흡착되는 정도가 다르기 때문에 신경전달물질의 종류와 양에 따라 특이적인 전기 신호의 패턴을 만드는 바이오센서를 만들 수 있었다. 이 바이오센서는 화학구조가 유사한 여러 종의 신경전달물질을 정확하게 구분했고, 고감도 정량검출이 가능하다. 예를들어 우울증 환자에게서는 세로토닌이, 파킨슨 병 환자에서는 도파민이 낮은 농도로 관찰되는데 본 시스템을 활용하면 다종의 바이오센서 없이 한번에 여러 신경전달 물질의 불균형을 측정할 수 있다. 연구진은 “개발된 기술은 신경전달물질의 정량적 분석결과를 기반으로 정신질환을 조기에 진단할 수 있다는 장점이 있다. 추후 임상중개 연구로 확장해 MRI, CT 등 추가의 정밀검사가 필요한 대상을 스크리닝 할 수 있는 검진기술로 개발할 예정이다.”라며 향후 계획을 밝혔다. 본 성과는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 범부처(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처) 전주기의료기기연구개발사업단 KIST 출연금사업, KU-KIST, HY-KIST, 나노종합기술원 나노메디컬 디바이스 개발 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 결과는 화학공학 권위지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF: 16.744, JCR 분야 상위 2.448%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Modular conductive MOF-gated field-effect biosensor for sensitive discrimination on the small molecular scale - (제 1저자) 한국과학기술연구원 금창준 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성욱 박사후연구원 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김현노 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이관희 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 정영도 선임연구원 ※ 논문 주소: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141079 [그림 1] (좌) MOF가 도입된 반도체 기반 바이오센서의 구조 (우) 바이오센서를 활용하여 신경전달물질을 전기적 신호 패턴을 통해 구분한 결과. 구조가 매우 비슷한 다종의 신경전달물질은 MOF에 선택적으로 흡착되며, 이에 따라 다른 전기신호 패턴을 나타냄. 패턴 분석을 통해 각 신경전달물질을 구분하고 정량적으로 검출함.

- 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)

- 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)