배터리 필요없는 '갤럭시 워치' 조만간 볼 수 있을까?

UNIST 장성연 교수팀, 세계 최초 고성능 n형 고체 열갈바닉 전지 개발

(지디넷코리아=박희범 기자)별도 전원이나 충전없이 체온만으로 갤럭시 워치 같은 웨어러블 기기에 전원을 공급할 수 있는 길이 열렸다.

UNIST는 장성연 교수 연구팀이 실제 전자기기를 작동시킬 수 있는 n형 고체 '열갈바닉 전지'를 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.

장성연 에너지화학공학과 교수는 "AA 건전지 수준의 전압 생산이 가능하기 때문에 향후 웨어러블 기기나 사물인터넷(IoT) 센서 등의 무전원 시대가 열릴 것"으로 기대했다.

UNIST가 개발한 열갈바닉 셀을 직렬 연결한 모듈의 상용 전자기기 구동 모습.그림(a) 는 온도 구배에 따른 모듈의 열기전력(전압) 출력. 그림(b)는 90분 이상 작동하고 있는 온습도 센서. 그림(c)는 LED, 온습도 센서, 전자 손목시계 등 상용 전자기기 구동 모습.(그림=UNIST)

'열갈바닉 전지'는 체온과 주변 공기 온도 차를 이용해 전기를 만드는 소형 발전기를 뜻한다. 하지만 체온(약 36℃)과 공기(20~25℃) 온도 차는 수 ℃에 불과해 실제 전자기기를 구동할 만큼의 출력을 얻기 어려웠다.

연구팀은 이 열갈바닉 전지 100개를 레고 블록처럼 직렬로 연결하는 방법으로 1.5V 전압을 얻는데 성공했다. 또 셀 16개를 연결하면 LED 조명, 전자시계, 온습도 센서 등을 켤 수 있다. 단위 셀 하나의 제백 계수는 –40.05 mV/K로 기존 n형 대비 효율이 최대 5배 향상됐다. K는 절대온도 단위 캘빈을 뜻한다.

체열 충전과 방전을 50회 반복해도 동일한 출력을 보이는 등 내구성도 확인했다.

이 전지는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’와 Fe(ClO4)2/3 산화·환원 쌍 기반으로 제작됐다. 고분자 사슬에 있는 음전하 황산기(SO₃⁻)와 전해질 속 양이온(Fe²⁺/Fe³⁺) 간 정전기적 결합은 구조를 단단하게 하고, 동시에 음이온(ClO₄⁻)은 자유롭게 오갈 수 있는 경로를 만들 수 있다.

장성연 교수는 “저온 폐열을 활용한 플렉서블 열전 변환 소자 개발 분야에서 새로운 전기를 마련한 것”이라며 “자가발전형 시스템의 기반이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 영국왕립화학회(RSC) 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)(7월7일자)에 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 지원을 받아 이뤄졌다.

고체형 열갈바닉 전지에서의 전기화학적 반응 메카니즘(왼쪽)과 웨어러블 모듈 (오른쪽 아래).

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)