1. 기술개요

▣ 기술정의

▣ 연구자정보

가. 기술정의 및 특, 장점

고성능 3D 프린팅 열전 소재용 잉크 및 열전소재

• 기술특징

- 본 기술은 우수한 열전 효과를 갖는 새로운 열전

물질을 포함하면서,

- 곡면으로도 소자의 제작이 가능한 열전 소재용

잉크 및 이를 이용하여 제조한 열전 소재를 구현할

수 있으며,

- 3D 프린팅 기법을 이용한 열전 소재를 제조할 수

있는 방법을 제공하는 기술임

• 기술적용분야 및 제품

발전기 생활제품 헬스케어

폐열발전기 자동차 시트 혈액분석기

리모트 파워발전 냉장고/온수기 PCR

도면 1 도면 2

나노 재료/에너지 및 전자 재료/3D 프린팅 기능 활성화 연구

• 성명: 손 재성 교수

• 소속: 신소재공학부

• 이메일: jsson@unist.ac.kr

• 전화번호: (052)217-2348

• 주연구분야: 나노 재료 및 화학/에너지 및 전자 재료/3D 프린팅

• 문제점

- 기존 기술은 열전 물질들 간 전기적 연결을 위해 포함되는 유기 전도체 바인더에

의해 열전 성능이 낮아지며, 스크린 프린팅 방식 또는 잉크젯 방식으로는 열전

물질을 곡면에 형성할 수 없음

1. 기술개요

▣ 기존기술

▣ 보유기술 장점

기존 기술은 열전 성능 효율이 낮고 곡면의 경우 열전 물질 형성이 어려움

• 기술일반

- 열전 효과 실제 적용시 열전 모듈과 열원 표면 간의 불완전한 접촉으로 인해

열손실이 발생하고 있으며,

- 이를 해결하기 위해 열원의 형상에 부합하도록 잉크를 사용한 프린팅 기법과 같이

제조과정에서 소자의 유연성을 확보할 수 있도록 열전 소재를 제조함

구 분 보유특허

특징상온에서 우수한 열전 성능을 보이는 열전 입자와 무기 바인더를 포함하는

열전 소재용 잉크 사용

효과열전 성능이 높으면서, 3D 프린팅 기법을 이용하여 평면 및 곡면을 포함하는

다양한 형상을 가진 열전부를 제조하여 고성능의 열전 소자 구현

보유특허1열전 성능이 높으면서 다양한 모양의 열전부 제조 가능

1. 기술개요

▣ 기술실시 형태

나. 기술개발의 완성도

• 실시내용

① 열전 소재용 잉크 : N-타입 및 P-타입의 열전 소재를 다양한 형태의 열원 표면을

감싸는 구조로 형성 가능. 즉 열원의 형상에 관계없이 높은 열전 성능 구현 가능

② 3D 프린팅된 열전 소재를 포함하는 열전 소자 : 열원의 형상에 대응되는 면을

가지는 구조로 형성 가능하므로 곡면 또는 요철을 포함하는 형상의 열원에

적용되어도 높은 효율을 가지는 열전 소자의 제조 가능

우수한 열전 효과 및 다양한 모양의 소자 제작 가능

파이프 형태 열원에 열전소자 형성된 구조

③ 열전 소재용 잉크 제조방법 : 무기 바인더 준비 단계, 열전 입자 용액 형성 단계,

무기바인더를 분산시켜 혼합 용액을 제조하는 단계로 구분됨

④ 3D 프린팅된 열전 소재를 포함하는 열전 소자의 제조방법 : 제1 전극부 형성 단계,

제1 전극부 상에 열전 소재용 잉크를 이용하여 3D 프린팅된 열전부 형성 단계,

형성된 열전부 상에 제2 전극부 형성 단계 및 3 단계 사이에 접합부 형성 단계

열전 소자를 파이프 형태의 열원에 형성하는 방법

▣ 기술 성숙도

• 본 기술은 현재 실험 단계임

• 본 기술은 열전 소재용 잉크 및

그를 이용한 열전 소자와 그

제조방법에 관한 것으로 다양한

조 건 하 에 서 최 대 의 효 과 를

확인하는 실험을 진행하고 있음

TRL 2단계

2. 기술동향

▣ 국내 기술개발 동향

대학 및 출연연 중심으로 활발한 연구개발 진행 중

- 국내에서는 열전소자를 제작하기 위한 기반 기술은 선진국에 비해 낮은 수준이며

정부 지원도 미흡한 실정이지만 대학 및 출연연을 중심으로 실리콘 및 비스무스-

텔루라이드 계 벌크, 박막, 나노선 등 열전소재의 효율을 높이는 연구를 진행 중에

있음 (자료: 열전소자 시장 및 개발동향, 한국전자통신연구원)

국내 열전소자 연구현황( : ETRK 경제분석연구실, 2013.9.)

구분 기관/업체 연구내용

연구소

전기연구원 • 열전발전 소재(중저온용 Telluride계) 및 열전발전 시스템 설계제작

재료연구소 • Bi-Te계 열전분말제조, 냉각용 모듈개발(2011)

기계연구원• 다결정 Bi-Sb-Te 박막 열전특성 열처리 통해 향상되는 연구• 김영철 박사팀, 자동차 배기열 수확해 고효율 자동차 제작 연구

표준과학연구원• 송재용 박사팀, 친환경 전기도금 적용 나노소재 합금 개발(2013)• 여호기 박사팀, 세계 최고 해상도 열전현미경 개발(2013)

ETRI

• 장문규 박사팀, 실리콘 나노선 열전소자 기술개발• 2013년부터 2015년까지 실리콘 기반 이종접합형 다차원 열전소자 기술 개발 연구, 실리콘 및 화합물을 기반으로 고효율을 가지는 나노구조 기반 열전재료를 대량으로 생산할 수 있는 방법

KIST • 윤석진 박사팀, 하이브리드 에너지 하베스팅 연구

세라믹연구원• 소결온도 증가에 따른 CUAlO2 세라믹의 열전특성 향상 연구• Ca3Co4O9 p형 산화물과 (ZnO)7In2O3 n형 산화물 기반 열전모듈

대학

연세대• Bi, PbTe 나노선 성장 및 열전소자 평가 기술 개발• 인체에너지 변환 융합 파이오니아 연구단 자가발전 스마트의류 연구

서울대 • 윤병동 교수팀, 폐열 에너지로 전기 만드는 'EH스킨'개발(2011)

충북대 • 열전발전 회로 설계 및 차량용 열발전기 시스템 개발

KAIST • 전기공학과, 스크린 프린팅 공정기법 이용 열전소자 제작 연구

기업

에이스텍• 열전소자 기술을 활용한 반도체 검사장비 생산• 와인셀러 및 폐열회수 발전시스템 개발 및 판매

삼성전자 • 전자제품 폐열을 전기로 바꿔 재사용할 수 있는 열전소재를 개발

뉴웰 • 온도차에 의해 전기를 생산하는 열전소자 개발

제너릭스• 반도체 열전소자와 세라믹 기술 접목한 MFC 원천기술 개발• 발열소자 채택 부피/전력소자 줄인 초소형 냉정수기 출시(2011)

HTRT• 열전소자 설계 및 응용 제품 개발• TE 쿨러, 냉온 유니트, 하이브리드 하트펌프, 건조기, 중계기

웅진코웨이 • 열전 반도체 소자를 이용한 초소형 정수기 개발(2012)

2. 기술동향

▣ 국외 기술개발 동향

보유특허1연료효율 증진을 위해 연구소와 기업을 중심으로 활발한 연구 진행 중

- 미국은 NASA, 버클리대, 하버드대, MIT 등에서 초격자, 나노와이어, 나노점 등 구조를

이용한 고효율 열전소재 개발을 활발히 추진 중이고, 유럽은 EU의 FP-7을 중심으로

대학과 프라운호퍼 등 연구소를 중심으로 기술개발이 활발히 수행되고 있으며,

일본은 NEDO 프로젝트/나조구조의 열전소자 개발과 JST 프로젝트/고효율 열전소자

및 시스템 개발을 추진중에 있음

해외 열전교환 적용 사례

해외 열전소자 연구현황(자료: 열전소자 시장 및 개발동향, 한국전자통신연구원)

국가 연구내용

미국

NASA: 파이오니아, 아폴로, 보이저 Ⅰ,Ⅱ호에 수백W급 RTG 사용버클리대: 실리콘 나노선 성장 및 열전특성 분석-단일 나노선(상향식)칼텍: 실리콘 나노선 성장 및 열전특성 분석-단일 나노선(상향식)펜실바니아주립대: 에너지 수확베낭을 개발행보행시 진동으로 에너지 얻음오하이오大/캘리포니아공대: 연비향상 가능케하는 신소재 개발(2008)퍼듀大/GM: 폐열로부터 전기를 얻는 자동차 열전발전기 개발(2010)GM: 차량용 TEG개발-TEG모듈 개발 중Amerigon-BSST: 자동차 폐열을 이용한 열전 발전소자 제작 연구중Nexteme: 2mm 이하의 박막형 열전소자 제작

일본

무라타제작소: 에너지 하베스팅 TEG개발고마쓰/KELK: 페열회수 TEG 시스템 개발야마하: 미니 사이즈 TEG 시스템 개발파나소닉: 열전교환소자를 사용해 발전량 늘린 열전 교환모듈 개발(2012)과학기술진흥기구(JST)- 열전교환소자와 연료전지 조합 배기가스 발전시스템 개발(2013)- 물을 이용해 절연체로부터 효율 좋은 연전재료 제조(2010)쇼와전선케이블: 폐열을 이용해 전기 발생시키는 열전변환소재 개발(2009)TDDI(열전소자개발): 펠티어냉장고 및 와인셀러 개발Z-Max: 페르체 모듈로 작고 소음 없는 미래 냉장고 개발(2012)

러시아군사용 열발전기 개발: 레이다용 전원공급장치/휴대용 통신장비 전원공급시스템(2.5W-160W)/송유관, 가스공급관 음극 부식 방지용 전원공급 시스템/핵잠수함 전원공급시스템(2MW급)

독일

BMW: 차량용 TEG개발-5 시리즈에 장착, 시범 운행 중폭스바겐: 열전발전기 개발해 디젤 수송차량에 장착Micropelt: 열전발전을 이용한 환경발전용 소자 및 모듈 개발(2012)

3. 권리성

▣ 권리확보 현황

3D 프린팅 열전 소재용 잉크/3D 프린팅된 열전 소재를 포함하는 열전소자 핵심특허 보유

발명의 명칭3D 프린팅 열전 소재용 잉크, 3D 프린팅된 열전 소재를 포함하는 열전 소자

및 그 제조방법

대표청구항

(청구항 제1항)

구성요소 기능 및 구성 한정

열전 소재용

잉크무기바인더, 열전입자 포함

무기바인더ChaM 포함

열전 입자 100중량부 대비 10중량부~50중량부

열전입자Bi2-xSbxTe3-ySey

0≤x≤2, 0≤y≤1

청구항

(청구항 제5항)

열전소자 전극부, 열전부 포함

열전부

무기바인더 ChaM 포함

3D 프린팅 된 열전소재Bi2-xSbxTe3-ySey

0≤x≤2, 0≤y≤1

청구항

(청구항 제15항)

열전소자

제조 방법

열원에 제1 전극부 형성 단계(A)

열전 소재용 잉크 이용 3D 프린팅된 열전부를 형성하는 단계(B)

형성된 열전부 상에 제2 전극부를 형성하는 단계(C)

A와 B 사이에 접합부를 형성하는 단계

B와 C 사이에 접합부를 형성하는 단계

권리범위

특징

본 기술은 열전 소재용 잉크, 열전소자, 열전부를 구성요소로 포함하는 열전소

자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 단일 구성요소에 의한 넓은 권리범위를 가

짐

보유특허

4. 기술의 시장성

발전기, 생활제품 및 헬스케어에 적용 가능

▣ 적용분야 리스트

• 기술적용분야

가. 적용분야

발전기, 냉장고/온수기 및 혈액분석기에 적용가능

▣ 적용사업 리스트

• 기술적용 사업

나. 적용사업

- 본 기술은 잉크 및 열전소재에 관한 것으로 본 기술을 발전기, 생활제품 및

헬스케어 제품 등에 적용 가능할 것으로 판단됨

- 본 기술은 폐열발전기 , 리모트 파워발전과 같은 발전기 , 자동차 시트 및

냉장고/온수기와 같은 생활제품 사업 등에 적용 가능할 것으로 판단됨

발전기 생활제품 헬스케어

발전기 생활제품 헬스케어

폐열발전기 자동차 시트 혈액분석기

리모트 파워발전 냉장고/온수기 PCR

5. 목표시장·전략제품

▣ 국내외 시장 동향

가. 적용시장

- 세계 열전 소자 시장은 2015년도 57백만달러로부터 2020년 약 521백만달러로

성장할 것으로 예상됨

- 열전 소자에서 열전 소재가 차지하는 비중을 보수적으로 30% 수준으로 가정할

경우 열전 소재 시장은 2015년 17백만달러에서 2020년에 약 156백만달러로

성장할 것으로 전망됨

구분 2015년 2016년 2017년

해외시장 17 백만달러 28 백만달러 54 백만달러

국내시장 1.4 조원 2.4 조원 4.0 조원

[국내 열전소재 시장 규모] [해외 열전소재 시장 규모]

2015 2016 2017 2018 2015 2016 2017 2018

[열전소자 시장 규모]

(자료: 중소중견기업 기술로드맵 전략보고서_세라믹소재, 중기청)

(자료: 소재기술백서 2011, 재료연구소)

- 2010년도 국내 열전기술 응용시장 규모는 0.1조원이고, 2018년 6.7조원으로

성장할 것으로 전망하고 있으며, 연평균 성장률은 69.1%임

5. 목표시장·전략제품

▣ 시장 주요 참여자

나. 경쟁사 분석

- 에이스텍코리아는 러시아로부터 열전재료를 공급받아 기계·설계적 기술을 접목, 최대의

성능을 이끌어내는 기술을 세계 최초로 개발하였고, 이를 활용해 항온항습기와 LCD

시험장비, 반도체 시험장비 등을 생산해 반도체 기업에 공급 중임

- 국내 유일 열전반도체 기술을 보유하고 있는 리빙케어는 23건 이상의 열전소자 관련

특허를 보유하고 있으며, 시장 장악력이 높은 대기업인 웅진코웨이나 쿠쿠 보유 기술

대비 독보적인 기술력 보유

- 웅진코웨이와 LG이노텍 등 대기업은 소형정수기, 와인셀러 등 제품 차별화에 주력하여

시장을 선점하고 있음

[열전소자 관련 기업 현황]

구분 회사2016년 매출액(단위: 백만원)

연간성장률

주요제품관련사진

1에이스텍코리아

9,320 24.78%반도체검사장비- 온도편차가 낮아

검사신뢰성 高

2 리빙케어 10,731 3.03%열전반도체- 국내 유일 열전반도체

기술 보유

4 블루시스 984 7.01%열전 온도제어 모듈- 온도제어 0~70°C- 냉각온도 min 0°C

4웅진코웨이

2,204,534 3.07%한뼘정수기- 크기 극소화- 에너지 사용량 절감

5 LG이노텍 5,321,758 -3.05%

와인셀러용 열전모듈- 크기가 작고 진동無- 와인의 맛과 향을 오래

보존

※ 열전소자만의 매출액 선별은 쉽지 않아 매출액은 회사 총 매출액으로 기입

(자료: 각 회사 홈페이지 및 CRETOP)

5. 목표시장·전략제품

다. 전략제품군 도출

▣ 전략제품 후보

우수한 열전 성능

• 성능 측정

- 열원의 형상에 대응되는 형태로 3D 프린팅 기법을 이용하여 제작한 본 기술을

활용한 열전 소자의 경우 기존 열전 소자에 비해 우수한 성능을 보이고 있음

하프 링 형태와 평판 형태 열전소자 비교 결과(출력 전압, 출력 파워, 열전비, 발전 효율)

발전기 생활제품 헬스케어

폐열발전기 자동차 시트 혈액분석기

리모트 파워발전 냉장고/온수기 PCR

• 도출 전략 제품

발전기

6. 관련특허

▣ 보유특허 리스트

열전 소재용 잉크 및 열전소자 관련 특허출원 보유

구분 발명의 명칭 출원번호 출원일

보유특허3D 프린팅 열전 소재용 잉크, 3D 프린팅된 열전

소재를 포함하는 열전 소자 및 그 제조방법2017-0082743 2017.06.29

보유특허