'체온으로 작동' 웨어러블 기기 나오나…KIST, 기초기술 개발

정승준·김희숙 박사팀, 수직방향 열에너지까지 수확하는 열전소자 개발

열전소자 시연모습 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 지난달 후면 표지 논문의 제1저자인 장두준 박사후연구원(왼쪽)과 황성권 학생연구원이 직접인쇄공정을 통해 제작된 삼차원 웨어러블 열전소자를 시연하고 있다. [KIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 사람의 체온처럼 표면에서 수직 방향으로 배출되는 열을 전기로 바꿔 효율을 한층 높이는 에너지 하베스팅 기술이 개발됐다. 이 기술을 이용하면 피부와 닿는 웨어러블 기기 센서를 다른 전원 없이 체온으로 구동시킬 수 있을 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 소프트융합소재연구센터 정승준, 김희숙 박사 공동연구팀이 수직 방향으로 나오는 열에너지를 수확해 전기를 만드는 3차원 프린팅 기반 소프트 열전소자를 개발했다고 16일 밝혔다.

열전소자는 소자 양 끝 온도 차이를 전기로 전환하는 장치다.

열전소자는 주로 2차원 필름 형태로 제작되는데, 보통은 수평 방향으로 양 끝의 열에너지 차이를 이용해 에너지를 만든다. 하지만 몸과 같은 물체에서 열이 방출되는 방향은 필름을 붙이는 면에 수직인 경우가 많아 효율이 떨어졌다.

이 때문에 수직 방향의 열에너지 차이를 활용할 수 있도록 열전소자를 3차원 구조로 만들기도 하지만, 이런 소자들은 크기가 크고 형태도 불안정해 변형에도 취약했다.

이에 연구팀은 우선 열전도도는 낮으면서 유연하고 잘 늘어나는 실리콘계 엘라스토머 소재로 부드러운 절연 플랫폼을 만들었다.

여기에 열전 특성이 뛰어난 탄소나노튜브(CNT) 잉크의 농도를 최적화해 절연플랫폼을 따라 인쇄, 굽히거나 눌리더라도 안정적으로 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 구조를 만들었다.

이렇게 개발된 열전소자는 1㎠ 면적에서 온도 1도 차이로 0.28㎷를 만들어냈는데, 이는 기존 프린팅 공정 열전소자보다 효율을 5% 높인 것이라고 연구팀은 설명했다.

이 열전소자를 가로세로 각각 10㎝ 크기로 제작하면 체온만으로 생체신호나 수면 패턴 관찰용 웨어러블 센서를 구동할 수 있는 수준이라고 연구팀은 설명했다.

정 박사는 "패치형 열전소자를 구현하는 기초기술이 될 수 있으며, 체온으로 발전이 가능한 밴드 타입의 열전소자 제작 또한 가능하다"며 "앞으로 지속적인 온도 차이를 스스로 확보할 수 있는 스마트 열전소자를 개발하여 버려지는 열을 이용한 자가발전 전자기기의 대중화를 위해 노력하겠다"고 말했다.

연구결과는 지난달 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'에 후면 표지 논문으로 실렸다.

KIST, 수직 방향 열에너지 수확 열전소자 개발 [KIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

shjo@yna.co.kr

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