KIST, 자가발전 웨어러블 기기 상용화 한 발짝…신축성 열전소자 개발

▲(a) 자유로운 변형이 가능한 고유연성 열전 소자와 (b) 유연성 열전소자를 발광소자와 연결해 뜨거운 물체를 알려주는 자가 발전 장갑을 구현한 모습이다. (사진제공=한국과학기술연구원)

국내 연구진이 신축성이 있어 사람의 피부나 산업현장의 온수 파이프 등 다양한 형태의 열원에 밀착해 에너지를 생산할 수 있는 유연한 열전소자를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 소프트융합소재연구센터 정승준 박사팀이 서울대학교 전기정보공학부 홍용택 교수와의 공동연구를 통해 유연성과 열전달 효율을 극대화해 높은 발전 성능을 가지는 신축성 열전소자를 개발했다고 1일 밝혔다. 연구팀은 인쇄 공정을 포함한 자동화 공정을 통해 대량생산 방안도 함께 제시했다.

기존의 유연 열전소자 연구에 주로 사용되는 기판의 경우 열전도율이 매우 낮아 열에너지 전달 효율이 낮았고, 유연성이 부족해 열원과 접촉 시 공기와 같은 열 차단층이 생겨 열 흡수 효율 또한 낮았다.

연구팀은 무기물기반 고성능 열전재료를 은 나노와이어가 삽입된 신축성 기판으로 연결해 열전소자의 저항은 낮추면서 유연성을 높였다. 제작된 열전소자는 유연성이 뛰어나 휘어지거나 늘어나도 안정적인 동작이 가능했다.

또한, 신축성 기판 내부에 열전도율이 높은 금속 입자를 넣어 신축성 기판의 열전달 능력을 기존보다 800%가량 향상하고, 전력 생산량은 3배 이상 높였다. 연구진은 또 소프트 플랫폼 공정부터 열전소자의 형성까지 복잡한 전체공정을 자동화해 개발한 소자의 대량생산까지도 가능하게 만들었다.

개발한 소자는 산업현장의 고온 감지 센서로 활용하거나 자동차 내ㆍ외부의 온도 차를 이용해 배터리 없는 자율주행용 거리 감지 센서를 만들 수 있어 고온 환경에서 폭발의 위험성이 있는 배터리 기반 센서 시스템의 전원 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

정승준 박사는 “외부의 열을 이용해 고온 감지 센서 장갑 등 실제 웨어러블 기기를 동작시키는 것이 가능하다는 것을 보여줬고, 향후에는 체온만으로도 웨어러블 디바이스를 구동시킬 수 있는 유연 열전 플랫폼을 개발할 예정”이라며 “연구에서 개발된 기능성 복합재료, 열전소자 플랫폼, 고수율 자동화 공정은 향후 배터리 없는 웨어러블 기기 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 최신 호에 게재됐다.