서울대 공대 기계공학부 고승환 교수팀, 태양 빛과 체온으로 지속적인 

전력생산 가능한 야누스 전자 피부 개발

- 태양 빛의 세기에 따라 최적의 성능으로 자가 전력생산 가능

- 야외 운동선수를 위한 생체 신호 모니터링 웨어러블 기기에 적용 가능

- 옷 한 벌로 다양한 날씨에 자가 전력생산 가능, 스마트 의복 분야에 큰 기여 예상

▲ (좌측부터) 서울대학교 기계공학부 고승환 교수, 정영주 박사과정, 정성민 박사과정, 

동국대학교 기계로봇에너지공학과 이진우 교수

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

최근, 스마트워치, 헬스 밴드, 스마트 의류 등의 웨어러블 기기들은 우리의 일상생활에서 건강, 생활, 업무에 큰 도움을 주고 있으나 이러한 기기들의 지속적인 사용에는 전원 공급이 필요하다. 현재 웨어러블 기기는 주로 단단하고 부피가 큰 배터리를 사용하고 있는데 이로 인해 가벼움과 편의성에 대한 제약이 발생하고 있으며, 배터리의 짧은 충전주기 및 용량 한계와 같은 기술적인 어려움은 사용자에게 불편함을 초래하고 있다.

이를 해결하고자, 국내외 유수의 연구진들은 새로운 지속 가능한 전력 솔루션에 주목하고 있으며, 그 중 체온을 이용하여 자가 전력 생산이 가능한 웨어러블 열전 소자 개발에 심혈을 기울이고 있다.

열전 소자는 열에너지와 전기 에너지를 변환하는 소자로, 제벡 효과에 의해 체온과 주변 환경 간의 온도 차이를 이용하여 배터리 없이 전력을 생산할 수 있다. 그러나, 기존의 웨어러블 열전 소자는 야외에서 사용 시, 태양 빛에 의한 기기 성능 저하로 인해 지속적인 전력생산이 어렵다는 한계점을 가지고 있다.

고승환 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 야누스(Janus) 구조를 활용한 신축성이 있고 부드러운 웨어러블 열전 전자 피부를 개발했다. 야누스 구조는 상층부와 하층부 기판이 서로 다른 특성을 가진 구조로, 태양 빛의 세기에 따라 소자를 뒤집어가며 체온과 주변 환경 간의 온도 차이를 극대화하여 지속적으로 최적의 전기 에너지를 생산할 수 있도록 한다.

▲ (좌측 그림) 로마 시대의 야누스 상으로 바티칸 박물관 제공. 야누스의 어원은 로마신화에 나오는 문의 수호신으로, 현대에서는 야누스의 두 얼굴과 이중적인 속성을 바탕으로 각기 다른 기능을 보이는 구조를 지칭하기도 함. (가운데 및 우측 그림) 태양 빛의 세기에 따른 야누스 구조 웨어러블 열전 전자 피부의 동작 원리에 대한 개략도.

고승환 교수팀은 복사 냉각 및 태양광 흡수-가열 현상에 착안하여 해당 기능을 구현할 수 있는 냉각 섬유 및 가열 섬유를 개발하였다. 또한, 해당 섬유를 신축성과 통기성이 있는 다공성 구조로 설계하여 착용 시, 피부에서의 땀 배출이 용이하게 하여 장기간 착용에도 편안함을 제공할 수 있도록 하였다.

야누스 구조 전자 피부를 통해, 태양 빛의 세기가 약한 상황(오전 혹은 늦은 오후 시간대)에서는 냉각 기능을 통해 피부(고온)-소자(저온) 환경을 조성하였고, 태양 빛의 세기가 강한 상황(정오 부근)에서는 가열 기능을 통해 피부(저온)-소자(고온) 환경을 조성하여, 외부 환경에 따라 온도 구배를 극대화하여 최적의 자가 전력생산 성능을 구현하였다.

▲ (위쪽 그림) 실제 야외 환경에서 야누스 구조 전자 피부를 착용한 사진. (아래쪽 그림) 실제 야외 환경에서 시간에 따른 야누스 구조 전자 피부의 전력 생산 그래프. 

특정 시간별(오전, 정오 부근, 늦은 오후) 복사 냉각 모드, 태양광 흡수-가열 모드에 따른 전력생산 성능이 상이함. 

따라서, 특정 태양 빛의 세기에 따라 야누스 구조의 전자 피부를 뒤집어 사용함으로써 최적의 전력생산 성능을 확보할 수 있음.

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

고승환 교수는 “이번 성과가 지속적인 웨어러블 기기의 운용을 위한 차세대 소프트 자가 전력생산 기술에 걸맞는 연구로서, 이 기술이 향후 운동 선수나 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 전력생산을 구현할 수 있는 스마트 의복 분야 등 다양한 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다”고 밝혔다.

▲ 이번 연구는 연구의 우수성을 인정받아 세계 저명학술지인 ‘Small 저널의 2024년 1월 표지논문으로 선정되었다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 기초지원사업 중견연구자지원사업의 지원을 받았으며, 세계적으로 주목을 받아 응용 물리학 및 재료과학 분야 저명학술지인 ‘Small’ 저널에 2024년 1월 표지논문으로 선정되었다. (논문 제목: High Efficiency Breathable Thermoelectric Skin Using Multimode Radiative Cooling/Solar Heating Assisted Large Thermal Gradient)

[문의사항]

서울대학교 공과대학 기계공학부 정영주 박사과정 / 02-880-1681 / jungyj2551@snu.ac.kr