▲ 고성능 신축 열전소자 기반 자가발전 웨어러블 디바이스그림은 사람의 체온을 이용해 웨어러블 디바이스를 동작시킬 수 있는 고성능 신축 열전소자를 보여준다. 본 연구를 통해 개발된 신축 열전소자는 뛰어난 유연성과 발전 성능을 가지고 있어, 추가 전원 없이 체온만으로도 무선 전자기기와 디스플레이를 동작시킬 수 있다.

서울대 홍용택 교수와 KIST 정승준 박사 연구진이 배터리 없이 체온만으로도 무선 웨어러블 전자기기를 동작시킬 수 있는 고성능 신축 열전소자를 개발하였다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 서울대학교 홍용택 교수 연구팀이 KIST 정승준 박사 연구팀과의 공동연구로 배터리 없이 체온만으로 자가발전하여 무선 웨어러블 전자기기를 동작시킬 수 있는 고성능 신축 열전소자를 개발했다고 밝혔다.

시계와 안경 등 다양한 형태의 웨어러블 전자기기 사용이 증가하면서 관련 기기에 효율적으로 전원을 공급할 소자 개발도 활발하다.

열전소자는 제벡 효과*에 의해 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 신축성을 부여하면 사람의 피부에 부착 가능하며, 체온을 이용해 배터리 없이 동작하는 자가발전 웨어러블 기기를 구현할 수 있어 새로운 전원 공급 소자로 주목받고 있다.
    
* 제벡 효과(Seebeck effect) : 서로 다른 금속의 양 끝을 접합한 후 한쪽 접합부에 열을 가했을 때 폐회로 상에 전위차가 발생하여 전류가 흐르는 현상.

 열전소자가 생성할 수 있는 전력은 소자의 내부 저항과 반비례하는데, 기존 신축 열전소자는 내부 저항이 높아서 생성되는 전력이 적고 실용성이 떨어지는 한계가 있다.
 
외부 기기를 동작시킬 수 있는 고성능 신축 열전소자를 구현하려면 신축 열전소자의 내부 저항을 높이는 주된 요인인 신축 전극과 열전소재 사이의 계면 저항과 신축 전극의 전기 저항을 해결해야 한다.

연구팀은 신축 열전소자 내부의 계면과 신축 전극의 전기 저항을 개선할 두 가지 전략을 도입하여 내부 저항은 낮추고 자가발전 성능은 높인 고성능 신축 열전소자 개발에 성공하였다.
 
은-나노와이어 기반의 신축 전극에 용액 기반 웰딩 기법(두 금속 입자 간의 접촉 부분을 결합시키는 공정)을 적용하여 내부 저항을 낮추었으며, 신축 전극과 열전소재의 접합부에 은 입자 기반의 전도성 중간층을 도입하여 접합부의 계면 저항을 감소시켰다.
 
실험 결과, 두 가지 전략을 모두 적용한 신축 열전소자는 내부 저항이 기존의 6배 이상 감소하여 세계 최고 수준의 발전 성능을 보였다.
 

▲ 고성능 신축 열전소자 구조와 응용 및 내부 저항을 개선하기 위한 전략고성능 신축 열전소자 제작을 위하여 신축 열전소자의 내부 저항을 개선하기 위한 두 전략을 도입하였다. 전도성 중간층을 도입하여 신축 전극과 열전소재의 접합부에서 발생하는 계면 저항을 낮추고, 나노와이어 웰딩 공정을 적용하여 은-나노와이어 기반 신축 전극의 저항을 낮췄다. 그 결과, 신축 열전소자의 내부 저항을 크게 낮추고 세계 최고 수준의 발전 성능을 달성할 수 있었다. 체온만으로도 블루투스 무선통신이 가능하여, 긴급 상황에서 구조 요청을 할 수 있는 무선 자가발전 구조 시스템을 동작시킬 수 있었다.

또한, 외부 전원장치 없이 체온에 의한 발전만으로 블루투스 통신이 가능하여 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 열에너지로도 무선 웨어러블 기기를 동작시켜 신축 열전소자의 실용성을 높인데 의의가 있다”라고 설명하고,“배터리 없는 자가발전 웨어러블 기기의 대중화 및 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 표지논문으로 6월 9일 게재되었다.

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