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체온으로 전기 생산…웨어러블 전자기기용 열전소자 개발
옷처럼 입기만 하면 전력이 생산되는 웨어러블 전자기기 전력공급원이 개발됐다.
미래창조과학부는 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 ‘웨어러블 전자기기(wearable electronics)’의 전력공급원으로 사용될 수 있는 ‘입을 수 있는 열전소자’를 개발했다고 7일 발표했다.
열전소자란 열에너지를 전기에너지로 전환해주는 소자를 말하며, 웨어러블 전자기기는 인체 착용이 가능한 전자기기를 말한다.
기존의 상용 열전소자는 세라믹 기판을 이용해 단단하고 휘어지지 않으며 무게가 무겁고 낮은 에너지 효율로 인해 웨어러블 전자기기에 활용하기에는 부족한 면이 있다.
이번에 개발된 열전소자는 유리섬유를 이용함에 따라 의류형태의 자유로운 가공이 가능하고 무게가 가볍고 전력생산 효율도 높아 같은 무게의 기존 세라믹 기판 소자에 비해 14배 정도의 전력생산 능력을 가지고 있다.
스크린프린팅 기술로 제작된 유연 열전소자. (a) 유리섬유상에 스크린프린팅 공정기법을 이용해 열전후막을 형성 (b) 금속전극 전사기술을 이용해 초경량 고출력 유연 열전소자 제작 (c) 밴드 타입으로 제작된 유리섬유 기반 열전소자를 인체에 적용하여 전기에너지 발생 검증했다.
이번에 개발된 열전소자를 팔에 두를 수 있는 가로, 세로 각 10cm 의 밴드형태로 제작한다면, 외부 기온이 20도일 때(체온과 약 17도 차이가 있는 경우)는 약 40 mW의 전력이 생산되므로 웬만한 반도체 칩들을 다 구동할 수 있다.
또한 상의 전체에 해당하는 면적 (50cm x 100cm)로 제작해 입으면, 약 2W의 전력이 생산돼 휴대폰 사용이 가능하다.
이번 연구는 2010년부터 미래창조과학부가 지원하는 기반형융합연구사업의 일환으로 한국과학기술원 조병진 교수팀이 수행한 연구 결과로 에너지 환경분야의 최고 권위지인 ‘Energy & Environmental Science’지에 지난달 3월 14일 온라인 속보로도 게재됐다.
최근 전자 사업계의 대세는 웨어러블이다. 실제로 2014 CES와 다보스 경제 포럼에서 웨어러블 전자기기가 가장 중요한 키워드로 대두됐으며 구글, 모토로라, 삼성, LG전자 등 유수의 회사들이 웨어러블 기기 개발에 열을 올리고 있다.
반면, 웨어러블 전자기기 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 것이 전력공급 문제였다. 전자기기 작동을 위해 배터리를 자주 교체 하거나 크고 무거운 배터리를 가지고 다녀야하기 때문이다.
이번에 개발된 열전소자를 이용하면 인체에서 발생하는 열을 이용하여 전력을 생산함으로써 배터리 걱정없이 반영구적으로 웨어러블 전자기기를 이용할 수 있다.
또한, 기존 상용소자와는 달리 대면적 소자제작이 쉬워 대량생산에 큰 장점이 있어 웨어러블 전자기기의 핵심 전력공급원으로 널리 사용될 가능성이 매우 높다.
웨어러블 전자기기 뿐만 아니라 자동차, 공장, 항공기, 선박 등 폐열이 발생하는 다양한 곳에 적용할 수 있어 에너지 문제를 해결하는 수단으로써 열전소자의 가능성을 한 단계 더 높였다는 평가다.
개발팀의 조병진 교수는 “2~3년내에 기술 실용화를 목표로 하고 있다”며 “이 소자가 상용화돼 옷처럼 입고 다니면 전기가 생산돼 배터리가 필요없는 휴대용 기기 시대가 열릴 것을 기대한다”고 밝혔다.
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옷처럼 입고 있으면 배터리 충전
