손목에 차면 체온으로 충전…배터리 없는 스마트워치 한 걸음 다가서

UNIST 연구팀이 체온과 주변 공기의 1.5℃ 온도차만으로 LED를 켤 수 있는 세계 최고 성능의 유연 이온 열전 소재를 개발했다. 장성연 교수(왼쪽부터)와 김동후 연구원. UNIST 제공

손목에 차기만 해도 체온으로 스스로 충전되는 배터리 없는 스마트워치 개발이 가능해질 전망이다. 국내 연구진이 사람의 체온과 주변 공기 사이의 미세한 온도 차이만으로 전기를 만드는 필름형 발전기를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 장성연 에너지화학공학과 교수팀이 세계 최고 성능의 유연 p형·n형 이온 열전 소재를 동시에 개발했다고 13일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 10월 4일 공개됐다. 

이번에 개발된 소재의 열전 성능지수(ZTi)는 p형 49.5, n형 32.2를 기록했다. 이는 현재까지 보고된 이온 열전 소재 중 가장 높은 수치로 기존 최고 기록보다 70% 향상된 것이다. 열전 성능 지수가 높을수록 작은 온도차로도 효율적으로 전기를 생산할 수 있다.

열전소재는 소재 내·외부의 온도차를 이용해 전기를 만드는 일종의 발전기다. 그중 이온 열전소재는 이온의 이동으로 전기를 생산한다. p형 소재는 양이온이, n형 소재는 음이온이 움직이면서 온도차에 따라 차가운 쪽으로 이온이 몰리며 전압을 발생시킨다.

연구팀이 개발한 p형 소재는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’ 복합체를 기반으로 하며 n형 소재는 여기에 ‘염화구리(CuCl₂)’를 첨가한 형태다. 두 소재 모두 가볍고 유연한 고분자 기반이어서 필름 형태로 제작이 가능하다.

실제로 이 두 소재 10쌍을 직렬 연결해 만든 필름형 발전 모듈은 1℃의 온도차당 1.03V의 높은 전압을 생성했다. 단 1.5℃의 낮은 온도차만으로 LED 전구를 점등시키는 데 성공했다. 또한 실내 환경에서 2개월 이상 95% 이상의 성능을 유지해 우수한 장기 안정성도 입증했다.

연구팀은 이온 농도와 이온 확산 계수 간의 균형점을 찾는 열역학적 설계 방식을 통해 이 같은 고성능 소재를 개발할 수 있었다고 설명했다. 이온 열전소재는 이온 농도가 높고 이동 속도가 빠를수록 발전 효율이 높지만 이온이 지나치게 많으면 오히려 흐름이 방해받는 문제가 있다.
연구팀은 소재 내 이온의 농도와 이온 확산 계수 간 균형점을 찾는 열역학적 설계 방식을 통해 이 같은 소재를 개발할 수 있었다고 설명했다.

열전소재는 이온 농도가 높고 이동 속도가 빠를수록 발전 효율이 높지만 이온이 너무 많으면 오히려 흐름을 방해받는 문제가 있다. 연구팀은 이온 농도를 결정하는 첨가물의 농도와 확산 계수를 좌우하는 소재 내부 구조 등을 체계적으로 분석해 전체 전력밀도가 최대가 되는 지점을 찾아냈다.

김동후 연구원은 "이온 열전 소재는 그간 체계적인 설계 지침이 부족해 잠재 성능을 최대한 끌어내기 어려웠는데 이번 연구는 이러한 설계 원리를 제시한 연구"라고 의미를 밝혔다.

장성연 교수는 "개발된 소재는 얇고 유연해 몸이나 곡면 표면에 쉽게 밀착시킬 수 있다"며 "배터리 없이도 충전되는 착용형 스마트워치나 내부·외부 온도 차가 수℃에서 수십℃에 불과한 환경에서도 작동하는 자가발전 센서 개발에 응용할 수 있을 것"이라고 기대했다.

<참고자료>

- doi.org/10.1002/adfm.202514954

[조가현 기자 gahyun@donga.com]