서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 곽정훈 교수 연구팀(공동 제1저자 박주형 박사, 김선홍 박사)이 인체에서 발생하는 열을 이용해 전기를 생산할 수 있는 유연하고 얇은 ‘수평 전환형 열전 발전기’를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 미국과학진흥협회(AAAS)가 발행하는 저명 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 3월 19일 게재됐다.

연구 배경

온도 차이를 이용해 전기를 만드는 ‘열전 발전기’는 배터리 없이도 전력을 공급할 수 있어 웨어러블 전자기기의 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 특히 플라스틱처럼 얇은 필름 형태의 열전 발전기는 가볍고 유연해 피부나 옷에 자연스럽게 부착할 수 있는 강점을 지닌다.

하지만 이러한 얇은 구조는 오히려 약점으로 작용하기도 한다. 열전 발전기는 뜨거운 부분과 차가운 부분의 온도 차이가 있어야 전기를 만들 수 있다. 그러나 발전기를 피부에 평평하게 붙일 경우 체열이 이를 바로 통과해 공기 쪽으로 빠져나가 버린다. 마치 얇은 종이 한 장을 통해 열이 그대로 지나가는 것과 비슷하다. 그 결과, 발전기 내부에서는 온도 차이가 거의 없어져 전기를 만들기 어렵다.

이 문제의 해결을 위한 기존 연구에서는 열전 발전기를 구부리거나 기둥처럼 세워 3차원 구조로 만드는 방법이 시도돼 왔다. 하지만 이 경우에는 장치의 두께가 두꺼워지고 부피가 커져 얇고 유연한 필름형 장치의 장점이 사라지는 한계가 있었다.

연구 성과

이에 곽정훈 교수 연구팀은 열이 흐르는 방향 자체를 바꾸는 새로운 아이디어를 제시했다. 신축성이 있는 실리콘 소재(PDMS) 기판의 일부에만 열을 잘 전달하는 구리 나노입자를 섞어 하나의 기판 내에 열이 잘 통하는 영역과 열이 잘 통하지 않는 영역이 함께 존재하는 ‘이중 열전도도 기판’을 설계하는 데 성공한 것이다.

이 두 영역의 경계에 열전 반도체를 배치하면 피부에서 발생한 열이 수직으로 빠져나가지 않고, 열이 잘 전달되는 영역을 따라 옆 방향으로 흐르게 된다. 그 결과, 기판 표면에 따뜻한 부분과 상대적으로 차가운 부분이 형성되며 온도차가 만들어지는데 이를 이용하면 얇은 필름 구조에서도 전기를 생산할 수 있다.

이처럼 이번 연구는 열이 흐르는 방향을 바꾸는 새로운 기판 구조를 통해 얇은 필름에서도 온도 차이를 유지하며 전기를 생산할 수 있다는 사실을 최초로 입증했다. 연구팀은 이 작동 원리가 기존의 ‘횡방향 열전 효과(transverse thermoelectric effect)’를 구조적으로 모방한 개념이라는 의미에서 해당 기술을 ‘수평 전환형(pseudo-transverse) 열전 발전기’로 명명했다.

기대 효과

이렇게 개발된 웨어러블 열전 발전기는 기판을 구부리거나 세우는 구조 변형 없이 완전히 평평한 상태에서도 체온을 전기로 변환할 수 있다. 또한 이 발전기는 잉크 기반 인쇄 공정으로 제작돼 높은 유연성을 확보했다. 뿐만 아니라 조립식 블록을 이어 붙이듯 크기와 형태를 자유롭게 설계하고 쉽게 확장할 수 있다는 강점도 지닌다.

이 같은 특성 덕분에 수평 전환형 웨어러블 열전 발전기는 향후 스마트 의류, 건강 모니터링 센서, 웨어러블 전자기기 등 다양한 장치에 전력을 공급하는 자가발전 에너지 기술로 널리 활용될 것으로 기대된다.

연구진 의견

곽정훈 교수는 “이번 연구는 기존의 얇은 웨어러블 열전 발전기가 지녔던 한계를 열의 흐름을 조절하는 새로운 구조적 접근으로 해결한 것”이라며 “특히 완전한 평면 구조를 유지하면서도 온도 차이를 만들어낼 수 있는 새로운 열전 플랫폼을 제시했다는 점에서 그 의미가 크다”고 설명했다. 아울러 “이 기술은 향후 피부나 옷에 부착되는 다양한 웨어러블 센서와 전자기기의 전원 기술로 활용될 가능성이 높다”고 밝혔다.

연구진 진로

이번 논문의 공동 제1저자인 박주형 박사는 졸업 후 현재 벨기에 루벤가톨릭대학교(KU Leuven)에서 박사후 연구원으로 유기전자소자에 대한 연구를 이어가고 있다.

역시 공동 제1저자인 김선홍 박사는 박사후 연구원을 거친 후 2025년 3월 서울시립대학교 화학공학과에 임용됐으며, 연성 전자 나노소재를 기반으로 차세대 전자 시스템 개발을 수행하고 있다.

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