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배터리 없는 웨어러블 기기 시대 성큼
배터리 없는 웨어러블 기기 시대 성큼
  • 박광하 기자
  • 승인 2019.01.21 08:15
  • 댓글 0
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한국전자통신연구원

고효율 열전소자 개발 성공

기존 대비 출력 5배 높아

추가 개발 거쳐 상용화 촉진

웨어러블 기기 산업이 지속 발전하는 가운데, 사람의 체온을 이용해 고효율의 전력을 생산하는 열전(熱電)소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이번에 개발된 소자는 기존과 비교해 5배 이상 전력 생산이 가능한 것으로 알려졌다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 개발한 열전소자를 팔목에 장착한 다음 생산된 전력을 통해 LED 디스플레이 장치에 정보를 표현하는데 성공했다고 최근 밝혔다.

연구진이 소자를 5×11㎝ 크기의 파스 형태 패치를 만들고, 성인 손목에 패치를 6개 붙여 전압을 증폭시켰다.

그 결과 배터리 없이 사람의 체온만으로 실제 LED 전광판에 'ETRI'라는 글씨를 선명하게 점등하는 전송 실험에 성공한 것이다.

이번 연구 성과의 핵심은 사람의 신체 체온을 기반으로 전원을 공급하는 열전발전 복합모듈에 있다. 체온의 열에너지를 전기로 변환, 이를 증폭해 웨어러블 소자 전원으로 사용하는 것이다.

열전소자의 경우 기존에는 미국 연구진에 의해 발표된 20마이크로와트(㎼)/㎠가 한계였다.

하지만 ETRI는 연구 끝에 소자의 출력을 35㎼/㎠까지 달성했다. 기존과 비교해 약 1.5배 이상인 것이다. 연구진은 소자 6개를 묶어 모듈화할 경우 최대 2~3밀리와트(㎽) 출력이 가능하고, 이는 바로 상용화할 수 있는 정도의 수준이라고 설명했다.

연구진은 이 기술이 향후 체온이나 맥박 센서 등과 결합된 소자로 만들어져 데이터를 무선으로 수집도 가능해질 것으로 보고 있다. 이를 통해 영·유아 케어, 환자 모니터링, 애완동물 위치 확인 등에도 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

ETRI는 이 기술의 핵심이 △열전소자 설계기술 △생체모사(模寫) 히트싱크 △전력관리 회로 등이라고 설명했다.

열전소자 설계기술은 체온이 잘 전달되도록 열저항 매칭을 고려하면서 열전소자 설계를 하는 기술이다.

생체모사 히트싱크란 마치 사람 피부의 땀샘을 흉내 내어 체온을 발산하고 흡수하는 구조체 기술이다. 파스형태의 구조체를 피부에 붙였을 때 피부와 구조체간 온도차이가 발생하는데 이를 땀샘과 같은 구조로 만들어 에너지 효율을 극대화시켰다. 생체모사 히트싱크가 장착된 열전소자의 출력은 기존 제품 대비 5배 더 높다.

전력관리 회로는 낮은 전압에서도 효율이 80%이상 유지되며 충전이 가능한 전압으로 키워 변환시키는 회로이다. 체온을 통해 얻은 에너지를 효율적으로 사용하기 위해 필수적인 기술이다.

연구진은 기존에도 이와 유사한 기술이 있었지만, 상용화수준의 에너지 출력의 성과는 이번이 처음이라고 강조했다.

아울러 연구진은 나노 계층을 사용, 모듈이 피부에 닿는 부분이 자연스럽게 흡착될 수 있도록 건식 접착 방식을 적용했다.

또한 모듈 외측에는 쉽게 찢어지지 않도록 마이크로 계층을 사용했다. 안정성과 편의성 모두를 잡기 위해 마이크로·나노 하이브리드 구조로 개발한 것이다.

ETRI는 향후 이 기술을 더욱 고도화하기 위해 추가 연구를 진행 중이라고 밝혔다. 연구진은 이 기술이 상용화되기 위해서는 △패치 착용시 불편함 제거 △착용시 심미감 확보 △움직이는 상황에서의 특성 고려 △전력관리 회로 원칩화 등 연구가 더 필요하다고 말했다.

연구진은 향후 2~3년 내에 이 기술이 상용화될 수 있을 것으로 전망했다. 연구진은 과제를 통해 SCI급 논문 15편, 국내·외 특허출원 15건, 요소 기술에 대한 기술이전도 마쳤다고 밝혔다. 관련기술은 지난 2017년 2월 어드밴스드 머티리얼(Advanced Material) 논문 표지로 선정·출판된 바 있다.

이번 연구 프로젝트의 리더인 문승언 ETRI ICT소재연구그룹장은 "향후 이 시스템이 완성되면 웨어러블 소자, 사물인터넷 기기 전원, 하드웨어 플랫폼 등으로 활용될 수 있을 것"이라며 "디지털 헬스케어, 스마트홈, 스마트시티 등 신개념 서비스가 가능할 것"이라고 전망했다.

이 기술은 과학기술정보통신부 선정 지난해 국가연구개발 우수성과 중 기계소재분야 최우수성과로 선정되기도 했다.

연구개발에 참여한 ICT소재연구그룹 연구원이 팔에 패치를 붙여 보여주고 있다. 손목에 3개의 복합모듈 패치를 붙여 전압을 측정한 결과 191㎷를 나타냈다. [사진=ETRI]



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