사람의 몸에서 나오는 열로 전기를 만드는 기술이 개발됐다. 향후 웨어러블 기기나 사물인터넷 전원 등으로 활용될 가능성이 있어 첨단 기기 개발에 일조할 것으로 기대를 모은다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 사람의 체온으로 전기를 생산하는 ‘열전소자’ 개발에 성공했다고 15일 밝혔다.
주요 사항은?
“체온의 열에너지 전기로 변환, 높은 출력과 지속적인 에너지 수확 가능”
“맥박 센서 등과 결합된 소자로 만들어져 데이터 수집 이용, 다양한 분야 접목 가능”
ETRI는 글로벌 웨어러블 기기 시장의 폭발적 성장세와 맞물려 전 세계적으로 열전소자 개발에 큰 관심을 보이는 중이라 설명했다.
해당 기술은 체온의 열에너지를 전기로 변환, 이를 증폭해 웨어러블 소자 전원으로 사용케 만드는 것이다.
연구진은 소자의 출력을 기존 미국 연구진에 의해 발표된 20 마이크로 와트(㎼/㎠)를 약 1.5배 이상의 높여 35 ㎼/㎠로 달성했다.
또한 소자 6개를 묶어 모듈화할 경우 최대 2~3밀리 와트(㎽) 출력이 가능한 사실도 밝혀냈다. 산업 현장에 곧장 쓰여도 무리가 없는 수준이다. 배터리처럼 1회용으로 쓰고 버리는 것이 아닌 사람 체온으로 지속적인 에너지 수확이 가능하다.
연구진은 해당 기술이 향후 체온이나 맥박 센서 등과 결합된 소자로 만들어져 데이터를 무선으로 수집도 가능해질 것으로 보고 있다. 이를 통해 영·유아나 환자의 모니터링, 애완동물의 위치 모니터링 등에 적용 가능할 것으로 내다봤다.
연구진은 현재 5cm x 11cm 크기의 파스형태로 패치를 만들었다. 성인 손목에 패치를 6개 붙여 전압을 증폭시킨 결과 배터리 없이 사람의 체온만으로 실제 LED 전광판에 ‘ETRI’라는 글씨를 선명하게 점등하는 전송실험에 성공했다.
이밖에 사항은?
“해당 기술 핵심, △열전소자 설계기술 △생체모사(模寫) 히트싱크 △전력관리 회로”
“향후 고도화 작업 진행, 2~3년 내 상용화 예상 … 디지털 헬스케어 등 산업 활용 기대”
ETRI는 해당 기술의 핵심이 △열전소자 설계기술 △생체모사(模寫) 히트싱크 △전력관리 회로 등에 있다고 설명했다. 관련기술은 특허출원에 나선 상태다.
열전소자 설계기술은 체온이 잘 전달되도록 열저항 매칭을 고려해 열전소자를 설계하는 기술을 말한다.
생체모사 히트싱크는 사람 피부의 땀샘을 흉내 낸 것처럼 체온을 발산하고 흡수하는 구조체 기술이다. 파스형태의 구조체를 피부에 붙였을 때 피부와 구조체간 온도 차이가 발생한다.
이를 땀샘과 같은 구조로 만들어 에너지 효율을 극대화 시켰다. 기존 제품 대비 생체모사 히트싱크가 장착된 열전소자의 출력은 5배가 더 크다는 설명이다.
전력관리 회로는 낮은 전압에서도 효율이 80% 이상 유지되며 충전이 가능한 전압으로 키워 변환시켜 주는 회로다. 체온을 통해 얻은 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 필수 기술로 꼽힌다.
연구진은 기존에도 이와 유사한 기술이 있었지만 상용화 수준의 에너지 출력 성과는 이번이 처음이라고 강조했다.
연구진은 이밖에도 나노 계층을 사용, 모듈이 피부에 닿는 부분이 자연스럽게 흡착될 수 있도록 건식 접착 방식을 적용했다. 모듈 외측은 쉽게 찢어지지 않도록 마이크로 계층을 사용했다. 즉 안정성과 편의성 모두를 감안한 마이크로/나노 하이브리드 구조로 개발한 것이다.
ETRI는 향후 해당 기술을 고도화시키기 위해 추가 연구를 진행할 방침이다. 실제 상용화를 위해선 패치 착용 시 불편함이 없어야하고, 착용 시 심미감과 움직이는 상황에서의 특성 고려, 전력관리 회로 등을 원칩화해야 하는 등 추가 연구가 필요하다는 견해다.
연구진은 해당 기술의 상용화를 향후 2~3년 내로 보고 있다. 관련 과제를 통해 SCI급 논문 15편, 국내·외 특허출원 15건, 요소 기술에 대한 기술 이전도 마쳤다고 밝혔다.
관련 기술은 지난 2017년 2월, 어드밴스드 머티리얼(Advanced Material) 논문 표지로 선정돼 출판까지 이뤄졌다. 과기정통부는 지난해 ‘2018년 국가연구개발 우수성과’ 중 해당 연구를 기계소재분야 최우수 성과로 꼽았다.
문승언 ETRI ICT소재연구그룹장은 “관련 연구가 최종 마무리되면 웨어러블 소자나 사물인터넷 기기의 전원, 하드웨어 플랫폼 등으로 활용돼 디지털 헬스케어, 스마트 홈시티 등에 적용돼 서비스가 가능할 것으로 본다”고 말했다.
