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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/사진=UNIST
울산과학기술원(UNIST) 장성연 교수 연구팀이 체온만으로도 실제 전자기기를 구동할 수 있는 '고체형 n형 열갈바닉 전지'를 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.
이 기술은 별도의 충전이나 전원 없이도 웨어러블(착용형) 기기와 사물인터넷(IoT) 센서를 작동시킬 수 있어 차세대 자가발전형 전원으로 주목받고 있다.
열갈바닉 전지는 사람의 체온(약 36℃)과 주변 공기(20~25℃)의 미세한 온도 차이를 이용해 전기를 만드는 소형 발전 장치를 말한다. 하지만 수 ℃에 불과한 온도차로는 전자기기를 구동할 만큼의 출력을 얻기 어려워 그동안 실용화에 한계가 있었다.
장 교수팀은 이 한계를 극복했다. 연구팀에 따르면 고체 전해질 내부에 이온이 원활하게 이동할 수 있도록 설계해 전류량을 확보했으며, 열 확산 과정에서 추가 전압 상승까지 이끌어내 전체 출력을 크게 높였다.
이러한 기술을 기반으로 개발한 전지는 실제 전자기기를 켤 수 있는 수준의 전압과 전류를 확보했다. 단일 셀의 제백계수(Seebeck coefficient)는 -40.05 mV/K로 기존 n형 소재 대비 최대 5배 향상됐다. 셀 100개를 직렬로 연결하면 체온으로 약 1.5V 전압을 낼 수 있는데, 이는 일반 AA 건전지에 해당하는 수준이다.
실험 결과, 셀 16개만 연결해도 LED 조명, 전자시계, 온습도 센서를 작동시킬 수 있었으며, 체열을 이용한 충·방전을 50회 반복해도 동일한 출력을 유지하는 등 내구성도 입증됐다.
장 교수는 "이번 성과는 저온 폐열을 활용한 플렉서블 열전 변환 소자 연구에 새로운 가능성을 연 것"이라며 "향후 웨어러블 기기나 자율형 IoT 기기에 전원을 공급하는 자가발전형 시스템의 기반이 될 것"이라고 강조했다.
