인간 피부에 완전히 밀착해 체온으로 자가발전이 가능한 ‘에너지 하베스팅’ 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 배터리 없는 웨어러블 기기를 동작시키는 등 다방면으로 이용할 수 있는 핵심 기술이다.

서울대 공대(학장 차국헌)는 전기·정보공학부 홍용택 교수 연구팀(이병문 박사, 조현 연구원)이 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀과의 공동연구를 통해 차세대 에너지 하베스팅 소자로 주목받는 열전소자의 유연성과 열전달 효율을 극대화해 높은 발전 성능을 가지는 신축성 열전소자를 개발했다고 1일 밝혔다. 특히 연구팀은 인쇄 공정을 포함한 자동화 공정을 통해 대면적 열전소자 제작 및 대량생산을 가능하게 해 스스로 에너지를 생산하고 동작하는 자가발전 웨어러블 전자기기 관련 연구의 촉매제 역할을 할 것으로 보인다.

열전소자는 소재 양단의 온도 차이로 인해 생성되는 전압을 활용하는 에너지 변환 소자로 버려지는 열에너지를 실생활에서 활용 가능한 전기 에너지로 변환한다는 점에서 친환경 에너지 하베스팅 소자로 각광받고 있다. 최근에는 다양한 형태를 가지는 열원에서 발생하는 폐열을 전기 에너지로 변환할 수 있는 유연 열전소자가 활발히 보고되고 있다. 이러한 유연한 열전소자를 피부에 붙이면, 인체의 체온만으로 배터리 없이 웨어러블 기기를 동작시킬 수 있다.

하지만 기존의 유연 열전소자에 주로 사용되는 신축성 기판의 경우 열전도율이 매우 낮아 열에너지를 열전소재에 효율적으로 전달하지 못했고 단단하고 두꺼운 금속 전극을 활용하기 때문에 유연성이 낮다는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 높은 유연성을 가지는 유기물 기반 열전소재의 개발이 활발하게 진행되고 있지만, 기존 무기물 기반 열전소재와 비교해 현저히 낮은 성능 때문에 실제 웨어러블 기기에 응용하기 어려웠다.

연구팀은 고성능 무기 열전재료를 신축성 전극으로 연결해 열전소자의 유연성을 극대화했다. 은 나노와이어와 신축성 기판소재의 복합화를 통해 이루어진 신축성 전극은 고무 수준의 낮은 영률을 갖고 있고 당겨지거나 구겨져도 높은 전기전도도를 유지해 열전소자가 휘어지거나 접히는 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있게 도와준다.

또한 연구팀은 선택적으로 열전달 경로가 형성된 복합재료를 이용해 신축성 기판의 열전달 능력을 800%가량 향상시켰다. 이렇게 향상된 열전달 능력 덕분에 열전소재에 효율적으로 열에너지를 전달할 수 있게 됐고 이 연구를 통해 개발된 소프트 열 전도체를 사용하는 것만으로도 3배 이상 높은 전력을 생성할 수 있었다.

그 결과 피부에 완벽하게 밀착할 뿐만 아니라 열에너지 손실을 최소화한 연구팀의 열전소자는 체온을 이용한 발전 효율이 세계 최고 수준임을 보여주었다.

홍 교수는 “이번 연구는 유연성과 열효율을 동시에 높여 실제 웨어러블 기기를 동작시킬 수 있는 실용성 높은 유연 열전소자를 개발했다는 데 의의가 있다”며 “향후 배터리 없는 자가발전 웨어러블 기기의 대중화 및 시장성 확보에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

연구 결과는 세계적인 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 11월 23일 자로 온라인 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 KIST 주요사업과 미래소재디스커버리사업, 창의형융합연구사업, 한국전자통신연구원연구개발지원사업, 글로벌프런티어사업의 지원을 받아 진행됐다.

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