몸에서 나오는 열만으로 AA 건전지 수준의 전압을 낼 수 있는 기술이 나왔다. 별도 전원이나 충전 없이도 작동하는 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 센서 상용화를 앞당길 수 있을 전망이다.
울산과학기술원(UNIST) 장성연 교수팀은 실제 전자기기를 작동시킬 수 있을 만큼의 출력을 갖춘 n형 고체 열갈바닉 전지를 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.
열갈바닉 전지는 사람의 체온과 주변 공기 사이의 온도 차를 이용해 전기를 만드는 소형 발전기다. 지금까지 체온(약 36℃)과 공기(20~25℃)의 온도 차는 수 ℃에 불과해 실제 전자기기를 구동할 만큼의 출력을 얻기 어려웠다.
연구팀이 개발한 고체형 전지는 충분한 전압과 전류를 확보해 실제 전자기기를 구동할 수 있는 출력(전압×전류)을 얻을 수 있다. 일반적으로 고체형은 누액 위험이 없다는 장점이 있지만, 고체 전해질 내부에서 이온이 잘 움직이지 못하는 탓에 전류가 부족하다. 연구팀은 이온 통로를 잘 확보할 수 있도록 전해질을 설계했다. 또 이온의 열 확산은 추가적 전압 상승으로도 이어져 전체 출력이 향상됐다.
이 전지 100개를 레고 블록처럼 직렬로 연결하면 체온으로부터 약 1.5V의 전압을 얻을 수 있다. 이는 일반적 AA 건전지 수준의 전압이다. 또 셀 16개가 연결되면 LED 조명, 전자시계, 온습도 센서 등을 실제로 켤 수 있다. 단위 셀 하나의 제백 계수는 –40.05㎷/K로 기존 n형 대비 최대 5배 향상됐다. 제백계수가 높을수록 동일한 온도차에서 출력 전압이 높다. 체열 충전과 방전을 50회 반복해도 동일한 출력을 보이는 등 내구성도 입증됐다.
장성연 교수는 “저온 폐열을 활용한 플렉서블 열전 변환 소자 개발 분야에서 새로운 전기를 마련한 연구”라며 “웨어러블 기기나 자율형 IoT 기기에 전원을 공급하는 자가발전형 시스템의 기반이 될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 영국왕립화학회(RSC) 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)에 7월 7일자로 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.
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