한양대 ERICA 장광석 교수팀, 유연 섬유 형태 열전발전기 개발 … 걷기만 해도 전력생산 2배

한양대학교는 ERICA캠퍼스 에너지바이오학과 장광석 교수 연구팀이 사람의 체온으로 실시간 전기를 생산할 수 있는 유연 섬유 형태의 열전(熱電)발전기를 개발했다고 28일 밝혔다.

이번 연구는 기존 무기(금속·세라믹) 기반 열전 소자의 단단한 특성을 극복하고, 착용 환경에서도 안정적인 전력 생산이 가능함을 입증해 차세대웨어러블 전원 기술의 상용화를 앞당겼다는 평가를 받는다.

이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 김정원 박사 연구팀과 공동으로 진행했다.

열전발전기는 온도 차이를 전기에너지로 변환하는 기술이다. 배터리 없이도 에너지를 수확할 수 있어 자가 구동 센서나 웨어러블 기기의 핵심 기술로 주목받아 왔다. 그러나 기존 기술은 대부분 딱딱한 무기 소재를 기반으로 제작돼 인체의 곡면에 밀착하기 어렵고, 반복적인 움직임에 쉽게 파손되는 한계가 있었다.

연구팀은 일상에서 흔히 사용하는 면사(cotton yarn)에 주목했다. 섬유 구조 자체를 열전소자로 활용하는 접근 방식을 택했다.

연구팀은 유연하면서도 열전 성능이 뛰어난 은 셀레나이드(Ag₂Se)를 면사에 균일하게 코팅해 기존과 전혀 다른 형태의 섬유형 열전발전기를 구현했다. 고온 공정 대신 용액 기반 공정을 적용해 제작 과정을 단순화하고 대량 생산의 기틀을 마련했다. 이 열전 섬유는 무기 소재 특유의 깨지기 쉬운 성질을 극복해 6㎜ 곡률 반경에서 5000회 이상의 반복적인 굽힘 시험 후에도 성능 저하 없이 전력을 생산했다.

연구팀은 개발된 섬유로 손목에 찰 수 있는 발전기를 제작해 실험한 결과, 일상적인 활동 환경에서 체온과 주변 공기의 온도 차를 이용해 전력이 지속 생성되는 것을 확인했다. 정지상태(온도차 2.8K, 약 2.8℃ 차이)에서 0.326마이크로와트(㎼, 1㎼는 100만분의 1W), 걷는 동작(온도차 4.4K)에서 0.604㎼의 전력을 생성했다. 생성된 전력 자체는 극미량이지만, 걷기만으로 전기를 생성했다는 점에서 주목된다. 특히 착용자의 움직임으로 발생하는 공기 흐름이 열 전달을 촉진해 발전 효율이 더 향상되는 것을 밝혀냈다. 걷기만 해도 전력 생산이 2배쯤 증가했다. 인체 활동 자체가 발전 성능을 높이는 요소로 작용할 수 있음을 입증했다.

이번 연구는 기존 평면형 소자와 달리 섬유 기반의 입체 구조를 적용해 인체와 외부 공기 사이의 온도 차이를 극대화하도록 설계했다는 점도 눈길을 끈다. 이런 구조적 이점 덕분에 복잡한 추가 장치 없이도 실제 생활 환경에서 효율적인 에너지 수확이 가능해졌다.

장 교수는 “이번 기술은 배터리 교체가 어려운 환경에서 전력을 지속 공급할 수 있는 자가 구동 시스템 구현에 기여할 것”이라며 “향후 웨어러블 헬스케어 기기, 자가발전 센서, 사물인터넷(IoT) 디바이스 등 다양한 분야에서 활용될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료 분야의 세계적 학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼스(Advanced Fiber Materials·첨단 섬유 소재)’ 6월호에 실릴 예정이다. 한양대 ERICA 박우민 박사가 제1저자, 장광석 교수와 KIST 김정원 박사가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 등의 지원으로 수행됐다.