국내 연구진이 사람의 몸에서 나오는 열로 전기를 만드는 열전소자를 개발했다.
이 기술로 웨어러블 소자 상용화에 탄력이 붙을 전망이다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 사람의 체온을 기반으로 전원을 공급하는 열전발전 복합모듈을 개발했다고 15일 밝혔다.
ETRI 연구진은 배터리를 쓰지 않고 사람의 체온만을 활용해 팔목에 밴드형 파스처럼 붙여 에너지를 얻어 정보를 표현하는데 성공했다.
연구진은 소자 출력을 기존 미국 연구진에 의해 발표된 20 마이크로 와트(㎼/㎠)를 약 1.5배 이상 높여 35 ㎼/㎠로 달성했다.
또 소자 6개를 묶어 모듈화할 경우 최대 2~3 밀리와트(㎽) 출력이 가능하다. 이는 즉시 상용화할 수 있는 정도의 수준이다.
배터리처럼 1회용으로 쓰고 버리는 것이 아닌 사람 체온으로 지속적인 에너지 수확이 가능하다.
연구진은 이 기술이 향후 체온이나 맥박 센서 등과 결합된 소자로 만들어져 데이터를 무선으로 수집할 수 있을 것으로 전망했다.
이를 통해 영·유아, 환자의 모니터링이나 애완동물의 위치 모니터링 등에 적용이 가능할 것으로 보인다.
ETRI는 이 기술의 핵심이 △열전소자 설계 기술 △생체 모사(模寫) 히트싱크 △전력관리 회로 등이라고 설명했다. 관련기술은 특허출원 했다.
열전소자 설계기술은 체온이 잘 전달되도록 열저항 매칭을 고려하면서 열전소자 설계를 하는 기술이다.
생체모사 히트싱크는 마치 사람 피부의 땀샘을 흉내 내 체온을 발산하고, 흡수하는 구조체 기술이다. 파스 형태의 구조체를 피부에 붙였을 때 피부와 구조체간 온도 차이가 발생하는데 이를 땀샘과 같은 구조로 만들어 에너지 효율을 극대화했다. 기존 제품 대비 생체모사 히트싱크가 장착된 열전소자의 출력은 5배가 더 크다.
전력관리 회로는 낮은 전압에서도 효율이 80% 이상 유지되며, 충전이 가능한 전압으로 키워 변환시켜 주는 회로다. 체온을 통해 얻은 에너지를 효율적으로 사용하기 위해 필수적인 기술이다.
연구진은 기존에도 이와 유사한 기술이 있었지만 상용화 수준의 에너지 출력 성과는 이번이 처음이라고 설명했다.
이밖에 나노 계층을 사용해 모듈이 피부에 닿는 부분이 자연스럽게 흡착될 수 있도록 건식 접착 방식을 적용했다. 모듈 외측은 쉽게 찢어지지 않도록 마이크로 계층을 사용했다. 즉 안정성과 편의성 모두를 잡기 위해 마이크로/나노 하이브리드 구조로 개발한 것이다.
ETRI는 패치 착용 시 불편함을 제거하는 등 이 기술을 더욱 고도화 하기 위해 추가 연구를 진행 중이다. 상용화까지는 향후 2~3년이 걸릴 것으로 전망했다.
한국전자통신연구원(ETRI), 한국과학기술연구원(KIST), 한국화학연구원(KRICT)은 2014년 국가과학기술연구회(NST·이사장 원광연)의 창의형 융합연구사업에 선정돼 웨어러블 소자의 전원용으로 활용이 가능한 수준인 ‘체온 기반 열전발전 복합모듈’ 을 공동 개발하는데 성공했다.
이번 프로젝트의 리더인 ETRI 문승언 ICT소재연구그룹장은 “향후 시스템이 완성되면 웨어러블 소자나 사물인터넷 기기의 전원, 하드웨어 플랫폼 등으로 활용돼 디지털 헬스케어, 스마트 홈/시티 등 신개념 서비스가 가능할 것으로 보고 있다”고 말했다.
이 기술은 과학기술정보통신부 선정, 2018년도 국가연구개발 우수성과중 기계소재분야 최우수 성과로 선정됐다.
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