체온으로 전기 만드는 열전소자, 메타물질로 신축성 높인다

KERI, 고효율 신축 열전소자 개발···웨어러블 기기 활용 기대

한국전기연구원(KERI)은 메타물질을 활용해 열전발전 소자의 신축성과 효율성을 높이는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

힘을 가해 물질을 가로 방향으로 늘리면 세로 방향이 줄어든다. 고무공을 누르면 옆으로 납작하게 퍼지는 것과 같다. 반대로 인공적으로 설계된 메타물질은 자연계 물질과 달리 가로 방향으로 늘려도 세로 방향도 함께 늘어나도록 할 수 있다.

KERI 전기변환소재연구센터 최혜경·윤민주 박사팀은 이러한 메타 구조를 지닌 개스킷을 활용, 열전소자의 신축성을 최대 35%까지 높였다. 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 바꾸는 원리다. 일상생활에서 낭비되는 열을 전력으로 활용할 수 있어 차세대 친환경 에너지 하베스팅 소자로 꼽힌다.

KERI 최혜경(왼쪽)·윤민주 박사가 메타 물질을 활용한 신축·유연 열전소자를 선보이고 있다. (사진=KERI)

대부분 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판을 활용하다 보니 피부나 온수관 같은 곡면에 적용하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 실리콘이나 고분자 등 유연성 재료를 활용했지만, 전도율이 높아진다는 문제가 있다. 열전소자는 각 물질 경계선의 온도 차이가 클수록 효율이 높은데, 유연성 재료는 전류를 너무 잘 흘려보내 열 손실이 발생해 큰 온도 차를 기대하기 어려웠다. 즉, 열전소자는 유연·신축성과 효율성을 모두 잡는 것이 중요하다.

연구팀이 활용한 개스킷은 메타 구조로 되어 있어 열전소자의 구조적 안정성을 크게 높여준다. 다양한 형태로 변형할 수 있고, 사람 피부처럼 잘 늘어나며, 어디나 쉽게 붙일 수 있다. 또 개스킷 내부 공기가 우수한 절연성을 가져 열 손실을 막고, 기존 유연 열전 소자보다 온도 차를 최대 30%까지 높이는 등 열전소자 효율성도 확보했다.

개발된 열전소자는 최대 35% 이상의 신축성을 지니면서, 전력생산 밀도는 0.1μW/㎠에서 2~3μW/㎠로 20배 이상 높아졌다. 열전소자 모듈을 크게 늘려도 전기적 특성 저하가 거의 발생하지 않는다는 것이다. 1만 번 이상의 반복적 굽힘에도 소자가 성능 손실을 보이지 않았다. 

최혜경 박사는 "우리 연구원은 고성능 열전소재 개발 노하우뿐만 아니라 에너지 하베스팅 전용 모듈화 기술, 안정적인 자율전원장치 관련 기술도 보유하고 있다"라며 "이러한 융합 연구를 통해 시너지 효과를 내고, 원천 기술 개발부터 실증, 실생활 응용까지 모두 고려할 수 있었다"라고 말했다.

이번 성과는 IoT 및 AI 기반의 웨어러블 기기 분야에서 활용이 기대된다. 기존 웨어러블 기기는 배터리 등 별도의 전원 공급 장치가 필요하다. 반면 KERI 열에너지 하베스팅 기술을 활용하면 간단하게 몸에 부착해 체온으로 전기를 생산하고, 모듈을 통해 전원까지 바로 공급할 수 있다. 차세대 의료 분야에도 적용 가능하다.

향후 연구팀은 열전소자 성능을 높일 수 있는 냉각 기술을 개발하고 전력관리회로를 개선하는 등 차세대 친환경 에너지 하베스팅 연구를 지속할 계획이다. 이 연구는 학술지 'Advanced Energy Materials' 속표지논문으로 최근 게재됐다.