UNIST, 체온만으로 전자기기 켤 수 있는 전기 만든다

- 장성연 교수팀, 세계 최초 고성능 n형 고체 열갈바닉 전지 개발 

- 배터리 없는 착용형 기기·IoT센서 등 응용 기대

개발된 고체형 열갈바닉 전지에서의 전기화학적 반응 메커니즘(왼쪽)과 웨어러블 모듈 (오른쪽 아래). (자료제공: UNIST)

개발한 열갈바닉 셀을 직렬 연결한 모듈의 상용 전자기기 구동. 그림(a) 온도 구배에 따른 모듈의 열기전력(전압) 출력. 그림(b) 90분 이상 작동하고 있는 온습도 센서. 그림(c) LED, 온습도 센서, 전자 손목시계 등 상용 전자기기의 구동. (자료제공: UNIST)

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.

UNIST(총장 박종래)는 장성연 에너지화학공학과 교수팀이 실제 전자기기를 작동시킬 수 있을 만큼의 출력을 갖춘 n형 고체 열갈바닉(Thermogalvanic) 전지를 세계 최초로 개발했다고 8월 20일 밝혔다.

열갈바닉 전지는 사람의 체온과 주변 공기 사이의 온도 차를 이용해 전기를 만드는 소형 발전기이다. 하지만 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 mV/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. 

개발된 고체형 전지는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’와 Fe(ClO₄)₂/₃ 산화·환원 쌍(Redox couple) 기반으로 한다. 고분자 사슬에 있는 음전하 황산기(SO₃⁻)와 전해질 속 양이온(Fe²⁺/Fe³⁺) 간의 정전기적 결합은 구조를 단단하게 하고, 동시에 음이온(ClO₄⁻)은 자유롭게 오갈 수 있는 경로를 만들 수 있다. 

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.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]