[비즈월드] 국내 연구진이 사람의 체온에서 나오는 열 에너지를 전기 에너지로 변환, 이를 증복하는 열전(熱電)소자 개발에 성공했습니다. 특히 기존 연구에 비해 5배 이상 출력이 나와 웨어러블 소자 상용화에 탄력이 붙게 될 전망입니다.

한국전자통신연구원(이하 ETRI)은 최근 배터리를 쓰지 않고 사람 체온만을 활용, 팔목에 밴드형 파스처럼 붙여 에너지를 얻어 정보를 표현하는데 성공했다고 밝혔습니다.

연구진은 소자의 출력을 기존 미국 연구진에 의해 발표된 20 마이크로 와트(㎼/㎠)를 약 1.5배 이상의 높여 35 ㎼/㎠로 달성했습니다. 또 연구진은 소자 6개를 묶어 모듈화할 경우 최대 2~3밀리 와트(㎽) 출력이 가능하다고 설명했습니다. 바로 상용화 할 수 있는 정도의 수준인 것입니다. 배터리처럼 1회용으로 쓰고 버리는 것이 아닌 사람 체온으로 지속적인 에너지 제공이 가능합니다.

연구진은 이 기술이 향후 체온이나 맥박 센서 등과 결합된 소자로 만들어져 데이터를 무선으로 수집도 가능해질 것으로 예상하고 있습니다. 이를 통해 영·유아, 환자의 모니터링이나 애완동물의 위치 모니터링 등에도 적용이 가능하다고 설명했습니다.

연구진은 현재 5㎝ x 11㎝크기의 파스형태로 패치를 만들었습니다. 성인 손목에 패치를 6개 붙여 전압을 증폭시킨 결과 배터리 없이 사람의 체온만으로 실제 LED 전광판에‘ETRI’라는 글씨를 선명하게 점등하는 전송실험에 성공했다.

ETRI는 해당 기술의 핵심이 ▲열전소자 설계기술 ▲생체모사(模寫) 히트싱크 ▲전력관리 회로 등이라고 설명했습니다. 관련기술은 특허출원도 마쳤습니다.

여시에서 '열전소자 설계기술'이란 체온이 잘 전달되도록 열저항 매칭을 고려하면서 열전소자 설계를 하는 기술입니다. '생체모사 히트싱크'이란 마치 사람 피부의 땀샘을 흉내 내어 체온을 발산하고 흡수하는 구조체 기술입니다.

파스형태의 구조체를 피부에 붙였을 때 피부와 구조체간 온도차이가 발생하는데 이를 땀샘과 같은 구조로 만들어 에너지 효율을 극대화 시켰습니다. 기존 제품 대비 생체모사 히트싱크가 장착된 열전소자의 출력은 5배가 더 큽니다.

전력관리 회로는 낮은 전압에서도 효율이 80%이상 유지되며 충전이 가능한 전압으로 키워 변환시켜 주는 회로입니다. 체온을 통해 얻은 에너지를 효율적으로 사용하기 위해 필수적인 기술입니다.

연구진은 기존에도 이와 유사한 기술이 있었지만 상용화수준의 에너지 출력의 성과는 이번이 처음이라고 합니다.

연구진은 나노 계층을 사용, 모듈이 피부에 닿는 부분이 자연스럽게 흡착될 수 있도록 건식 접착 방식을 적용했습니다. 모듈 외측은 쉽게 찢어지지 않도록 마이크로 계층을 사용했습니다. 안정성과 편의성 모두를 잡기 위해 마이크로/나노 하이브리드 구조로 개발한 것입니다.

ETRI는 앞으로 이 기술을 더욱 고도화시키기로 하고 추가 연구를 진행 중입니다. 연구진은 실제 상용화가 이뤄지려면 패치 착용 때 불편함을 제거하고 착용 때 심미감, 움직이는 상황에서의 특성 고려, 전력관리 회로 등도 원칩화 해 상용화가 이뤄지도록 연구가 더 필요하다고 전했습니다.

연구진은 이 기술의 상용화를 향후 2-3년 내로 예상했습니다. 연구진은 과제를 통해 SCI급 논문 15편, 국내·외 특허출원 15건, 요소 기술에 대한 기술이전도 마쳤다고 밝혔습니다. 관련기술은 2017년 2월, 어드밴스드 머티리얼(Advanced Material) 논문 표지로 선정되어 출판된 바 있습니다.

아울러 NST는 권리사업화 지원 사업을 통해 R&D 시작단계에서부터 특허 권리화·사업화를 지원했습니다.

이 연구 프로젝트의 리더인 ETRI 문승언 ICT소재연구그룹장은 “향후 이 시스템이 완성되면 웨어러블 소자나 사물인터넷 기기의 전원, 하드웨어 플랫폼 등으로 활용되어 디지털 헬스케어, 스마트 홈/시티 등 신개념 서비스가 가능할 것으로 보고 있다”라고 말했습니다.

ETRI 측은 이 기술이 우리나라가 웨어러블이나 사물인터넷 등 소자용 자가발전 전원기기 분야 세계진출의 좋은 계기가 될 것으로 내다봤습니다.