▲ 개발된 소재를 활용해 제작한 필름 밴드형 열전 모듈 (위)와 1.5도의 미세한 온도차로 LED를 구동하는 모습 (아래).(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

 

<기사요약>

체온 1.5℃로 LED 점등 성공, 세계 최고 성능 필름 발전기 개발

UNIST 장성연 교수팀, p형·n형 이온 열전소재 동시 개발

전력소모 無, 유연 필름형 구조로 웨어러블 자가발전 가능

ZTi 70% 향상, 미세 온도차에서도 고효율 전력 생성

열역학적 설계 원리 확립 — 향후 스마트 헬스케어 응용 기대

'Adv. Funct. Mater.' 게재, 세계적 연구 성과로 주목

 

이제 사람의 체온만으로도 전기를 만들 수 있는 시대가 열렸다.

UNIST 연구진이 단 1.5℃의 온도 차이로 LED를 켜는 초고성능 ‘필름형 이온 열전 발전기’를 개발, 웨어러블 자가발전 기술의 새 지평을 열었다.

 

이번 연구는 “전기 없는 에너지 시대, 몸이 곧 전원”이라는 패러다임을 현실로 바꾸는 성과로, 배터리 의존도를 줄이고 인체 친화형 에너지 공급의 가능성을 한층 앞당겼다.

 

“체온과 공기의 온도차만으로 불을 켜다”

 

UNIST 에너지화학공학과 장성연 교수 연구팀은 세계 최고 수준의 유연 p형·n형 이온 열전소재를 동시에 개발했다.

 

이 ‘이온 열전소재(ionic thermoelectric material)’는 전자가 아닌 이온(ion)의 이동으로 전기를 생산하는 차세대 열전소재다. 즉, 사람의 체온과 주변 공기 사이의 미세한 온도차가 발생하면, 이온이 이동하며 자연스럽게 전압을 만들어내는 발전 메커니즘이다.

 

연구팀은 두 소재를 조합해 만든 필름형 발전 모듈 10쌍을 직렬 연결해 실험한 결과, 단 1℃의 온도 차로 1.03V의 전압을 생성, 1.5℃의 체온 차로 LED 전구를 실제로 켜는 데 성공했다.

이는 지금까지 보고된 이온 열전소재 중 세계 최고 효율이다.

 

“세계 최고 효율, 열전 성능 70% 향상”

 

이번에 개발된 p형·n형 소재의 열전 성능지수(ZTi)는 각각 49.5와 32.2로, 기존 최고 성능 대비 약 70% 향상된 수치다.

p형 소재는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS 복합체를 기반으로 하며, n형 소재는 p형 소재에 염화구리(CuCl₂)가 첨가된 형태다. P형 소재에서는 양이온인 수소 이온이, n형 소재는 음이온인 염화 이온이 움직여 전기를 만든다. 또 이 두 소재 모두 가볍고 유연한 고분자 기반이라 필름 형태로 발전기를 만들 수 있다. 

 

이때 p형은 수소 이온(H⁺), n형은 염화 이온(Cl⁻)의 이동으로 전류를 발생시킨다. 두 소재 모두 고분자 기반이라 가볍고 유연하며, 필름 형태로 제작이 가능해 피부나 곡면에 부착 가능한 착용형 발전기로 응용할 수 있다.

 

또한 이 필름은 실내 환경에서 2개월 이상 95% 이상의 성능 유지율을 보이며 탁월한 내구성과 안정성을 입증했다.

 

“이온의 균형이 열을 전기로 바꾸는 핵심”

 

기존의 이온 열전소재 연구는 명확한 설계 지침이 부족해 잠재력을 충분히 발휘하지 못했다.

하지만 장성연 교수팀은 이온 농도와 확산 계수 간의 ‘열역학적 균형점’을 정량적으로 규명, 이온 이동이 가장 효율적으로 일어나는 최적 조건을 도출했다.

 

그 결과, 이온이 지나치게 많아 이동이 방해받는 기존 한계를 극복하고, 전력 밀도(energy density)를 극대화할 수 있었다.

 

제1저자인 김동후 연구원은 “이번 연구는 이온 열전소재의 근본적 설계 원리를 정립한 첫 사례”라며 “향후 웨어러블, 자가충전 센서 등 다양한 분야로 확장될 수 있다”고 말했다.

 

“몸이 전원이 되는 시대”... 웨어러블 자가발전의 미래

 

장성연 교수는 “이 소재는 얇고 유연하며, 체표면이나 옷감 위에도 쉽게 부착할 수 있다”며 “배터리 없이도 작동하는 스마트 워치, 체온 기반 센서, 헬스케어 기기 등 웨어러블 자가발전 플랫폼의 핵심 기술이 될 것”이라고 강조했다.

 

특히 인체 외부와 내부의 온도차가 1~5℃ 수준인 환경에서도 작동 가능해, 향후 스마트 의류·의료 모니터링 시스템에 응용될 전망이다.

 

이번 연구결과는 재료공학 분야 국제 저명 학술지 'Advanced Functional Materials'(어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈) 10월 4일자 온라인판에 게재되었다.

 

학계는 이번 성과를 “체온 기반 에너지 하베스팅(energy harvesting)의 실용화에 가장 근접한 사례”로 평가하고 있다.

 

“사람의 체온이 곧 에너지가 된다.”는 이번 UNIST의 기술은 배터리 없는 웨어러블 혁명의 신호탄이다. 이제 몸에서 나는 열로 전기를 만들고, 그 전기로 기기를 구동하는 시대가 눈앞으로 다가왔다.

 

논문명은 Thermodynamic Design Strategy for Ionic Thermoelectric Polymer Complexes with Giant Thermopower and Power Density이다. 

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