KAIST, 포항공대와 1700% 신축성 우수한 웨어러블 소자 개발

열역학적 화학 평형 조절해 기존 소자 성능 한계 극복

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST)과 포항공대 연구팀이 신축성이 우수한 열전소자를 개발해 웨어러블 기기에 활용할 가능성을 제시했다.

KAIST는 문홍철 생명화학공학과 교수팀이 박태호 포항공대 교수팀과 열역학적 평형을 조절해 기존 N형 열전갈바닉 소자 성능 한계를 극복할 수 있는 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.

문홍철 KAIST 교수(왼쪽)와 박태호 포항공대 교수(오른쪽).(사진=KAIST)

열전갈바닉 소자는 생성되는 전자 흐름의 방향에 따라 N형과 P형으로 구분 가능 네거티브를 의미하는 N형은 전자가 저온에서 고온 쪽으로, 포지티브를 의미하는 P형은 고온에서 저온 쪽으로 전자가 이동하는 것을 뜻한다.

열전 소자 성능을 높이려면 P형과 N형 소자를 통합해야 한다. 그동안 P형 열전 소자와 달리 N형 열전 소자는 상대적으로 연구가 부족했다. 게다가 N형 열전 소자는 P형에 비해 성능이 떨어져 통합형 소자 구현 시 성능 균형이 맞지 않는다는 문제도 있었다.

연구팀은 스스로 산성도 조절을 할 수 있는 젤 소재를 개발해 이온을 주요 전하운반체로 사용한 이온성 열전 소자 중 한 종류인 열전갈바닉 소자를 구현했다. 연구팀은 개발한 젤 소재를 활용해 하이드로퀴논(열 에너지를 전기 에너지로 전환하는데 사용된 전기화학 반응물) 레독스 반응(산화·환원 반응)의 열역학적 평형을 효과적으로 제어해 고성능 N형 열전 소자 특성을 구현했다.

젤 소재는 약 1700%의 우수한 신축성을 나타내고, 상온에서도 20분 이내에 99% 이상의 높은 자가회복 성능을 구현하도록 설계됐다.

그 결과, 손목에 부착된 소자는 몸에서 계속 유지되는 체온과 주변 환경의 온도 차이를 이용해 에너지를 생산했다.

문홍철 교수는 “기존 N형 이온성 열전 시스템이 지닌 한계를 극복할 기술을 개발했다”며 “체온을 활용한 전원 시스템 실용화를 앞당기고, 웨어러블 소자 구동을 위한 핵심 요소 기술이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에너지앤인바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 지난 7일자 표지논문으로 게재됐다.

표지 논문 이미지.(사진=KAIST)