인체에서 발생하는 체열을 활용해 전기를 생산할 수 있는 차세대 웨어러블 에너지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

서울대학교 공과대학 전기정보공학부 곽정훈 교수 연구팀은 유연하고 얇은 구조에서도 전력을 생성할 수 있는 ‘수평 전환형 열전 발전기(pseudo-transverse thermoelectric generator)’를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 19일자에 게재됐다.

열전 발전기는 온도 차이를 이용해 전기를 생산하는 기술로, 별도의 배터리 없이 전력을 공급할 수 있어 웨어러블 전자기기의 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 특히 얇은 필름 형태의 발전기는 가볍고 유연해 피부나 의류에 부착할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 기존 필름형 열전 발전기는 체열이 장치를 통해 그대로 외부로 빠져나가 내부 온도 차이가 형성되지 않는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 구조를 입체적으로 변형하는 방식이 시도됐지만, 두께 증가와 유연성 저하라는 문제가 뒤따랐다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 열이 흐르는 방향 자체를 제어하는 새로운 구조를 제안했다. 신축성 있는 실리콘(PDMS) 기판 일부에 구리 나노입자를 혼합해 열전도도가 서로 다른 영역을 하나의 기판 내에 구현한 ‘이중 열전도도 기판’을 설계한 것이다.

이 구조에서는 열이 수직 방향이 아닌 수평 방향으로 이동하면서 기판 내에서 자연스럽게 온도 차이가 형성된다. 이를 통해 별도의 구조 변형 없이도 얇은 필름 상태에서 전기를 생산할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 이러한 개념을 기존 ‘횡방향 열전 효과’를 구조적으로 구현한 방식으로 보고 ‘수평 전환형 열전 발전기’로 명명했다.

이번에 개발된 발전기는 잉크 기반 인쇄 공정을 활용해 제작돼 높은 유연성을 확보했으며, 모듈 형태로 확장이 가능해 다양한 형태의 웨어러블 기기에 적용할 수 있는 장점도 갖췄다.

연구진은 해당 기술이 향후 스마트 의류, 건강 모니터링 센서, 웨어러블 전자기기 등에서 별도의 배터리 없이 전력을 공급하는 자가발전 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

곽정훈 교수는 “이번 연구는 얇은 웨어러블 열전 발전기의 한계를 열 흐름 제어라는 구조적 접근으로 해결한 사례”라며 “평면 구조에서도 온도 차이를 유지할 수 있는 새로운 열전 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 이어 “향후 다양한 웨어러블 센서와 전자기기의 전원 기술로 활용될 가능성이 높다”고 밝혔다.

이번 연구에는 박주형 박사와 김선홍 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 박주형 박사는 현재 벨기에 루벤가톨릭대학교(KU Leuven)에서 박사후 연구를 수행 중이며, 김선홍 박사는 2025년 서울시립대학교 화학공학과에 임용돼 연성 전자 나노소재 기반 연구를 이어가고 있다.

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 이공분야기초연구사업과 박사과정생 연구장려금 사업, 서울시립대학교의 지원을 받아 수행됐다.