최근 애플의 최신 웨어러블 기기는 심하게 넘어져 큰 충격이 가해질 경우 자동으로 구조신호가 보내지는 기능을 추가하며 최대 라이벌인 삼성전자에 큰 압박을 가했다. 그러나 해당 신기술도 배터리가 떨어져 기기 전원이 꺼지면 무용지물이다. 그런데 국내 연구진이 이를 뛰어넘는 기술을 개발해 관심을 끌고 있다.

20일 한국연구재단은 홍용택 서울대 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 정승준 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 배터리 없이 체온만으로도 자가발전해 무선 웨어러블 전자기기를 동작시킬 수 있는 고성능 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다.

시계와 안경 등 다양한 형태의 웨어러블 전자기기의 수요가 증가하면서 관련 기기에 효율적으로 전원을 공급하기 위한 소자 개발도 나날히 발전하고 있다. 열전소자는 제벡효과(Seebeck effect)에 의해 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 신축성을 부여할 경우 사람의 피부에도 부착이 가능하며, 체온을 이용해 배터리 없이 동작하는 자가발전 웨어러블 기기를 구현할 수 있어 새로운 전원 공급 소자로서 주목받고 있다.

제벡효과란 서로 다른 금속의 양 끝을 접합해 한쪽 접합부에 열을 가했을 때 폐회로 상에 전위차가 발생해 전류가 흐르는 현상이다.

열전소자가 생성 가능한 전력은 소자의 내부 저항과 반비례 하는데, 기존 신축 열전소자의 경우 내부 저항이 높아서 생성되는 전력이 적고 실용성이 떨어지는 한계를 가지고 있었다. 외부 기기를 동작시킬 수 있는 고성능 신축 열전소자를 구현하려면 신축 열전소자의 내부 저항을 높이는 주된 요인인 신축 전극과 열전 사이에 계면 저항과 신축 전극의 전기 저항 문제를 해결해야만 했다.

연구팀은 신축 열전소자의 내부의 계면과 신축 전극의 전기 저항을 개선하기 위해 두가지 전략을 도입해 내부 저항은 낮추고 자가발전 성능을 높인 고성능 신축 열전소자의 개발에 성공했다. 은-나노와 이어 기반의 신축 전극에 용액 기반의 웰딩 기법(두 금속 입자 간의 접촉 부분을 결합시키는 공정)을 적용해 내부 저항을 낮췄으며, 신축 전극과 열전소재의 접합부에 은 입자 기반의 전도성 중간층을 추가해 접합부의 계면 저항을 낮췄다.

이 결과 두 가지 전략을 모두 적용해 개발한 신축 열전소자는 내부 저항이 기존 열전소자보다 6배 이상 감소해 세계 최고 수준의 발전 성능을 보였다. 또 외부 전원장치 없이 체온에 의한 발전만으로 블루투스 통신이 가능해 긴급 상황에서 구조 요청을 할 수 있는 무선 자가발전 웨어러블 시스템을 동작시킬 수 있었다.

홍용택 교수는 “이번 연구는 기존 신축 열전소자의 기술적인 한계로 여겨졌던 낮은 발전 성능 문제를 해결하고, 체온과 같은 적은 열 에너지로도 무선 웨어러블 기기를 동작시켜 신축 열전소자의 실용성을 높인 것에 큰 의의가 있다”며 “배터리 없는 자가발전 웨어러블 기기의 대중화 및 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 표지논문으로 지난 9일 게재됐다.