'메타물질' 통해 체온으로 전기 생산된다

한국전기연구원, 메타물질 전기 생산과 모듈로 전원 공급하는 기술 개발
낭비되는 열을 전력으로 활용해 차세대 친환경 에너지 소자 역할

 

[더테크=전수연 기자] 한국전기연구원(KERI)이 메타물질을 통해 체온으로 전기를 생산하고 모듈로 전원까지 공급할 수 있는 기술을 완성했다.

 

KERI는 전기변환소재연구센터 박사팀이 자연계에 없는 메타물질을 활용해 열전발전 소자의 신축성과 효율성을 세계 최고 수준으로 높일 수 있는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

 

(관련기사: KERI, 친환경 절연가스 K6 개발, SF6 대체 가능성↑)

 

힘을 받은 수직방향으로 압축, 팽창하는 비율을 ‘푸아송비(Poisson's ratio)’라고 하는데, 메타물질은 반대로 가로 방향으로 늘려도 세로 방향도 함께 늘어나도록 인공 설계된 물질이다.

 

메타물질은 음(Negative)의 푸아송비를 가진다. KERI는 이러한 메타 구조를 지닌 개스킨(gasket)을 활용해 열전소자의 신축성을 최대 35%까지 높이는 데 성공했다. 열전소자는 양 끝의 온도 차이를 전기에너지로 바꾸는 원리다. 일상생활에서 낭비되는 열을 전력으로 활용할 수 있어 차세대 친환경 에너지 하베스팅 소자로 불린다.

 

그동안 대부분의 열전소자는 딱딱한 세라믹 기판을 활용하다 보니 피부나 온수관 같은 곡면에 적용되기 어려웠다. 실리콘이나 고분자 등 유연성 재료를 활용해도 전도율 때문에 열 손실이 발생하곤 했다.

 

이를 위해 KERI 박사팀은 개스킷을 활용했다. 개스킷은 메타 구조로 열전소자의 구조 안정성을 높이고 다양한 형태로 변형이 가능하다. 또 사람의 피부처럼 늘어나기 때문에 어느 곳에도 부착이 용이하다.

 

개스킷은 내부의 공기가 절연성을 갖고 있어 열 손실을 막고 기존 유연 열전소자 대비 온도 차를 최대 30%까지 높이는 열전소자 효율성도 확보했다.

 

KERI 관계자는 더테크에 "열전 소자는 크기를 증가시키면 체온이나 심박수 등 생체 정보를 측정한다"며 "이는 웨어러블 센서를 구동시키는 수준이 된다"고 전했다.

 

KERI의 열전소자는 최대 35% 이상의 신축성을 지녀 전력생산 밀도가 20배(0.1μW/cm2 ⇒ 2~3μW/cm2) 이상 높다. 이는 열전소자 모듈을 크게 늘려도 전기 특성의 저하가 거의 발생하지 않는다는 것이다.

 

연구팀은 1만 번 이상의 반복 굽힘에도 소자가 성능 손실 없이 유지되는 내구성까지 확보했다.

 

이번 성과는 IoT 및 AI 기반의 웨어러블 기기 분야에서 크게 주목받을 것으로 보인다. 기존 웨어러블 기기는 배터리 등 별도 전원 공급 장치가 필요한 단점이 있었는데 하베스팅 기술을 통해 간단하게 몸에 부착해 체온으로 전기를 생산하고 모듈로 전원까지 공급할 수 있게 된다.

 

아울러 KERI 연구팀은 열전소자의 성능을 높일 수 있는 냉각기술과 전력관리회로 개선 등으로 차세대 친환경 에너지 하베스팅 시대를 앞당길 계획이다.