스마트워치, 헬스 밴드, 스마트 의류 등의 웨어러블 기기들은 우리의 일상생활에서 건강, 생활, 업무에 큰 도움을 주고 있으나 전원 공급은 필수라 때때로 번거로움을 준다. 대부분의 웨어러블 기기는 주로 단단하고 부피가 큰 배터리를 사용해 짧은 충전 주기 및 용량 한계와 같은 기술적 어려움은 사용자에게 불편함을 초래하고 있다.

국내외 유수 연구진들은 새로운 지속 가능한 전력 솔루션에 주목하고 있으며, 그중 체온을 이용해 자가 전력 생산이 가능한 ‘웨어러블 열전 소자’ 개발에 심혈을 기울이고 있다.

열전 소자는 열에너지와 전기 에너지를 변환하는 소자로, 제벡 효과에 따라 체온과 주변 환경 간 온도 차이를 이용해 배터리 없이 전력을 생산할 수 있다. 그러나 기존 웨어러블 열전 소자는 야외에서 사용 시 태양 빛에 따른 기기 성능 저하로 꾸준한 전력 생산이 어렵다는 한계가 있다.

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 고승환 교수팀이 야외 환경에서 태양 빛의 세기에 따라 지속적인 자가 전력 생산이 가능한 야누스(Janus) 구조의 전자 피부를 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발된 전자피부는 야누스 구조를 활용한 신축성 있고 부드러운 웨어러블 열전 전자 피부이다. 야누스 구조는 상층부와 하층부 기판이 서로 다른 특성을 가진 구조로, 태양 빛의 세기에 따라 소자를 뒤집어가며 체온과 주변 환경 간 온도 차이를 극대화해 최적의 전기 에너지를 지속 생산할 수 있도록 한다.

고승환 교수팀은 복사 냉각 및 태양광 흡수-가열 현상에 착안, 해당 기능을 구현할 수 있는 냉각 섬유와 가열 섬유를 개발했다. 또 해당 섬유를 신축성과 통기성이 있는 다공성 구조로 설계해 착용 시 피부에서 땀 배출이 쉽게 해 오랫동안 착용해도 편안함을 제공할 수 있도록 했다.

야누스 구조 전자 피부를 통해 태양 빛의 세기가 약한 상황(오전 혹은 늦은 오후 시간대)에서는 냉각 기능으로 피부(고온)-소자(저온) 환경을 조성했고, 태양 빛의 세기가 강한 상황(정오 부근)에서는 가열 기능을 통해 피부(저온)-소자(고온) 환경을 조성해 외부 환경에 따라 온도 구배를 극대화해 최적의 자가 전력 생산 성능을 구현했다.

이번 연구를 통해 고승환 교수팀은 실제 야외 환경에서 태양 빛의 세기가 약한 오전에는 복사 냉각 모드로 사용했을 때 태양광 흡수-가열 모드보다 대략 5.65배 정도 우수한 전력을 생산했고, 태양 빛의 세기가 강한 정오 부근에는 태양광 흡수-가열 모드에서 2.48배 정도 우수한 전력을 생산할 수 있었다.

고승환 교수는 “이번 성과는 지속적인 웨어러블 기기의 운용을 위한 차세대 소프트 자가 전력 생산 기술에 걸맞은 연구로, 이 기술이 앞으로 운동선수나 야외 작업자의 지속적인 생체 신호 모니터링을 비롯한 다양한 응용 분야에서 귀중한 자산과 통찰력을 제공할 것으로 기대한다.”며 “그리고 옷 한 벌로 여름과 겨울과 같은 다양한 날씨에도 지속적인 자가 전력 생산을 구현할 수 있는 스마트 의복 분야 등 다양한 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다.”고 밝혔다.

이번 연구는 응용 물리학 및 재료과학 분야 저명 학술지 ‘Small’ 저널에 2024년 1월 표지 논문으로 선정됐다.