체열로 전기 생산하는 웨어러블 배터리 소자 개발

조병진 교수팀, 유리섬유 이용해 만들어

조병진 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 몸에서 나는 열로 전기를 생산하는 웨어러블 배터리 소자를 개발했다.

이번에 개발한 열전소자를 이용하면 인체에서 발생하는 열을 이용해 전력을 생산하고 배터리 걱정없이 반영구적으로 웨어러블 전자기기를 이용할 수 있게 될 전망이다.

미래창조과학부는 한국과학기술원(KAIST) 조병진 교수팀이 웨어러블 전자기기의 전력공급원으로 사용할 수 있는 열전소자를 개발했다고 7일 밝혔다.

열전소자는 열에너지를 전기에너지로 전환해주는 소자를 말한다.

기존의 상용 열전소자는 세라믹 기판을 이용해 단단하고 휘어지지 않으면서 무게가 무겁고 낮은 에너지 효율로 인해 웨어러블 전자기기에 활용하기에는 부족했다.

이번에 개발한 열전소자는 유리섬유를 이용해 의류형태의 자유로운 가공이 가능하고 무게가 가벼우면서 전력생산 효율도 높아 같은 무게의 기존 세라믹 기판 소자에 비해 14배의 전력생산 능력을 갖췄다.

연구진은 기존 상용소자에 쓰이고 있던 부피가 큰 기판과는 달리 지지대 역할을 하는 유리섬유를 열전후막 중간에 삽입하는 새로운 공정기술을 개발해 지지대가 열전 물질과 열원 사이에 존재해 발생하는 열에너지 손실을 줄이고 에너지 변환효율을 높여 소자 유연성을 유지하게 했다.

유리섬유가 열전 물질의 가운데에 존재하게 되면 유리섬유 사이 존재하는 미세 기공들을 통해 전기가 흐르게 돼 열전도도가 줄면서 열전 발전 특성이 높아진다.

스크린 프린팅 기술로 형성된 열전 물질은 기존의 벌크형 열전 물질에 비해 내부 기공이 많아 소자 유연성 증대에도 기여한다.

이번에 개발한 열전소자를 팔에 두를 수 있는 가로 세로 각 10 cm의 밴드형태로 제작하면 외부 기온이 20oC일 때는 약 40 mW의 전력이 생산돼 웬만한 반도체 칩들을 구동할 수 있고 상의 전체에 해당하는 면적으로 제작해 입으면 약 2W의 전력을 생산해 핸드폰 사용이 가능하다.

이번 연구는 2010년부터 미래부가 지원하고 있는 기반형융합연구사업의 일환으로 수행돼 에너지 환경분야의 최고 권위지인 에너지와 환경 과학지에 지난달 14일 온라인 속보로 게재됐다.

2014 CES와 다보스 경제 포럼에서 웨어러블 전자기기는 가장 중요한 키워드로 대두됐고 구글, 모토로라, 삼성, LG전자 등 회사들이 웨어러블 기기 개발에 열을 올리고 있지만 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 것이 전력공급 문제였다.

전자기기 작동을 위해 배터리를 자주 교체 하거나 크고 무거운 배터리를 가지고 다녀야하기 때문이다.

개발 소자는 기존 상용소자와는 달리 대면적 소자제작이 쉬워 대량생산이 가능해 웨어러블 전자기기의 핵심 전력공급원으로 널리 사용될 가능성이 높다.

웨어러블 전자기기 뿐만 아니라 자동차, 공장, 항공기, 선박 등 폐열이 발생하는 다양한 곳에 적용할 수 있어 에너지 문제를 해결하는 수단으로 열전소자의 활용 가능성을 높일 것으로 기대된다.

스크린프린팅 기술로 제작된 유연 열전소자, 연구팀은 유리섬유상에 스크린프린팅 공정기법을 이용해 열전후막을 형성하고(a), 금속전극 전사기술을 이용해 초경량 고출력 유연 열전소자 제작했다(b). 또 밴드 타입으로 제작된 유리섬유 기반 열전소자를 인체에 적용해 전기에너지 발생 검증했다(c)