두께 한계 극복한 필름형 구조… ‘사이언스 어드밴시스’ 게재
필름형 장치에서 온도 차이 만드는 새로운 열전 구조 고안
열 흐름 방향 바꿔 기존 기술 한계 극복한 ‘수평 전환형 열전 발전기’ 제시
왼쪽부터 서울대 전기정보공학부 곽정훈 교수, 박주형 박사(현 벨기에 KU Leuven 박사후 연구원), 김선홍 박사(현 서울시립대 화학공학부 교수)
서울대학교 공과대학 전기정보공학부 곽정훈 교수 연구팀이 인체 체열을 활용해 전기를 생산하는 유연하고 얇은 ‘수평 전환형 열전 발전기’를 개발했다고 19일 밝혔다. 이번 연구는 기존 필름형 발전기가 가진 물리적 한계를 구조적 혁신으로 해결했다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다.
얇은 필름의 역설, ‘열 흐름’ 조절로 풀었다
열전 발전기는 소자 양단의 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 장치다. 그동안 웨어러블 기기 적용을 위해 얇은 필름 형태의 발전기가 연구되어 왔으나, 기기가 얇아질수록 체열이 수직으로 빠르게 투과해 내부 온도 차이를 확보하기 어렵다는 고질적인 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 소자를 수직으로 세우는 3차원 구조가 제안되기도 했으나, 이 경우 유연성이 떨어지고 부피가 커지는 단점이 존재했다.
곽정훈 교수팀은 열이 흐르는 방향 자체를 수평으로 바꾸는 역발상을 적용했다. 연구팀은 신축성 실리콘 소재(PDMS) 기판 일부에 구리 나노입자를 혼입해 열전도율이 다른 두 영역이 공존하는 ‘이중 열전도도 기판’을 제작했다.
이 구조에서는 피부에서 발생한 열이 수직으로 빠져나가지 않고 열전도도가 높은 영역을 따라 수평으로 흐르게 된다. 이 과정에서 기판 내부에 자연스럽게 온도 차이가 발생하며, 이를 통해 얇은 평면 구조에서도 효율적인 전력 생산이 가능해졌다. 연구팀은 이를 ‘횡방향 열전 효과’를 구조적으로 모방했다는 의미에서 ‘수평 전환형(pseudo-transverse) 열전 발전기’로 명명했다.
자유로운 형태 확장… 웨어러블 자가발전 시대 앞당겨
이번에 개발된 발전기는 잉크 기반 인쇄 공정으로 제작되어 경제성이 높고 뛰어난 유연성을 자랑한다. 특히 조립식 블록처럼 원하는 크기와 형태로 자유롭게 확장할 수 있어 스마트 의류나 건강 모니터링 센서 등 다양한 형태의 웨어러블 기기에 맞춤형 전원 공급이 가능하다.
곽정훈 교수는 “이번 연구는 완전한 평면 구조를 유지하면서도 온도 차이를 극대화할 수 있는 새로운 열전 플랫폼을 제시한 것”이라며 “향후 피부나 옷에 부착되는 차세대 전자 장치의 핵심 전원 기술로 활용될 가능성이 매우 높다”고 강조했다.
신진 연구자들의 성과 돋보여
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 19일 자에 게재됐다. 공동 제1저자인 박주형 박사는 현재 벨기에 루벤가톨릭대학교에서 박사후 연구원으로 재직 중이며, 김선홍 박사는 지난 3월 서울시립대학교 화학공학과 교수로 임용되어 차세대 전자 시스템 연구를 이어가고 있다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업과 서울시립대학교의 지원으로 수행됐다.
uapple
기자
여기에 광고하세요!!
여기에 광고하세요!!
여기에 광고하세요!!
여기에 광고하세요!!
여기에 광고하세요!!
피플스토리 uapple © PEOPLE STORY All rights reserved.
피플스토리 uapple의 모든 콘텐츠(기사 등)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재, 복사, 배포 등을 금합니다.
RSS