배터리 없이 체온으로 작동하는 웨어러블 기기 만든다

서울대-KIST 공동연구진, 고성능 신축성 열전소자 개발

배터리 방전 걱정 없이 체온으로 웨어러블 기기를 작동시킬 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 긴급 상황에 구조 신호를 보내는 등 다양한 활용이 기대된다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 서울대학교 홍용택 교수와 KIST 정승준 박사 공동연구팀이 배터리 없이 체온만으로 자가발전해 무선 웨어러블 전자기기를 동작시킬 수 있는 고성능 신축성 열전소자를 개발했다고 20일 밝혔다.

열전소자는 제벡 효과에 의해 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 신축성을 주어 피부에 붙일 수 있으며, 체온을 이용해 배터리 없이 동작하는 자가발전 웨어러블 기기를 구현할 수 있어 새로운 전원 공급 소자로 주목받고 있다.

제벡 효과란 서로 다른 금속의 양 끝을 접합한 후 한쪽 접합부에 열을 가했을 때 폐회로 상에 전위차가 발생해 전류가 흐르는 현상을 말한다.

고성능 신축 열전소자 구조와 응용 및 내부 저항을 개선하기 위한 전략 (자료=서울대 홍용 교수)

열전소자가 생성하는 전력은 소자의 내부 저항과 반비례하는데, 기존 신축 열전소자는 내부 저항이 높아 생성되는 전력이 적고 실용성이 떨어졌다. 외부 기기를 동작시킬 정도의 신축 열전소자를 구현하려면 내부 저항을 높이는 주 요인인 신축 전극과 열전소재 사이의 계면 저항과 신축 전극의 전기 저항을 해결해야 한다.

연구팀은 은-나노와이어 기반의 신축 전극에 용액 기반 웰딩 기법을 적용해 내부 저항을 낮췄다. 웰딩 기법은 두 금속 입자 간 접촉 부분을 결합시키는 공정이다. 또 신축 전극과 열전소재의 접합부에 은 입자 기반의 전도성 중간층을 도입해 접합부 계면 저항을 줄였다. 

 .

이렇게 만든 신축 열전소자는 내부 저항이 기존의 6분의 1 수준으로 감소, 세계 최고 수준의 발전 성능을 보였다고 연구진은 밝혔다. 외부 전원장치 없이 체온에 의한 발전만으로 블루투스 통신이 가능해 긴급 상황에서 구조 요청을 할 수 있는 무선 자가발전 웨어러블 시스템을 동작시킬 수 있었다.

홍용택 교수는 "이번 연구는 기존 신축 열전소자의 기술적 한계로 여겨졌던 낮은 발전 성능 문제를 해결하고, 체온과 같은 적은 열에너지로도 무선 웨어러블 기기를 동작시켜 신축 열전소자의 실용성을 높인데 의의가 있다"라며 "배터리 없는 자가발전 웨어러블 기기의 대중화 및 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다"라고 밝혔다.

이 사업은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 표지논문으로 9일 게재됐다. 

고성능 신축 열전소자 기반 자가발전 웨어러블 디바이스 (사진=서울대 홍용택 교수)