성균관대, 고성능 웨어러블 열전 소자 개발

- 충전이 필요 없는 스마트 웨어러블 디바이스 시대의 도래

- 대규모 양산 가능한 공정으로 웨어러블 디바이스의 충전 기대

(가)열전 소자 및 제조 공정, (나)열전 발전 전압과 공기-체온 온도차, 심박수 측정 데이터. (자료제공: 성균관대)

성균관대(총장 유지범)은 강보석 성균나노과학기술원 교수 연구팀이 가천대 김대건 교수팀과 협력하여 세계 최고 수준의 발전 성능과 모든 구성 요소가 신축성을 지닌 웨어러블 열전 발전 소자 개발에 성공했다고 2월 17일 밝혔다.

웨어러블 디바이스는 헬스케어, 증강 현실(AR), 사물인터넷(IoT) 기술의 발전과 함께 연평균 17.6%의 높은 시장 성장률을 기록하고 있다(출처: Mordor Intelligence). 그러나 작고 가벼운 특성상 배터리 용량이 제한될 수밖에 없으며, 잦은 충전으로 인한 사용성 저하와 배터리 폭발 등의 문제로 인해 웨어러블 디바이스를 위한 새로운 충전 솔루션에 대한 지속적인 수요가 존재하고 있다.

열전 소재는 열에너지로부터 직접 발전할 수 있어 인간의 체온을 직접 활용할 수 있지만, 기존에는 중금속 위주로만 소재가 개발되어 인체에 대한 독성 및 부족한 신축성으로 항공·우주 분야 등 특수한 영역에서만 제한적으로 사용되었다.

웨어러블 열전 소자 혁신의 핵심은 배선과 서포터, 열전 소재를 포함하는 모든 구성 요소가 신축성을 가지는 열전 소자 어레이이다. 기존에는 배선부만 늘어나 소자 전체의 유연성이 떨어지고, 열전 소자 어레이의 밀집도를 떨어뜨려 발전 효율이 크게 떨어졌다.

연구팀은 열전 소재 내부에 신축성을 담당하는 네트워크와 열전 발전을 담당하는 네트워크를 순차적으로 도입해 세계 최고 수준의 열전 성능을 달성했다. 또한, 소재를 1.4배까지 늘렸을 때도 90% 이상의 성능을 유지하며 신축성 열전 소재의 혁신을 이뤘다.

아울러, 열전 소재뿐만 아니라 전극과 배선도 용액 공정만으로 제작해 웨어러블 열전 소자의 양산 가능성을 확보했다. 특히, 피험자에게 제작된 소자를 부착해 체온을 이용한 발전 가능성을 입증했으며, 이를 바탕으로 자가 충전이 가능한 스마트 웨어러블 디바이스 개발을 추진할 계획이다.

이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 표지논문으로 선정됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]