연세대학교 기계공학과 김우철 교수 연구팀(공동 제1저자: 김지용 통합과정생, Salman Khan 박사과정생)은 미국 Texas A&M 대학 기계공학과 유충호 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 체온만으로 웨어러블 기기를 구동하고 남은 전력을 충전할 수 있음을 실험적으로 증명했다. 연구팀은 웨어러블 열전소자를 활용해 체온을 전기로 변환 후 상용 당뇨 센서를 실시간으로 구동하고, 남은 전력을 리튬-황 배터리에 충전하는 실험적 연구를 학계에 보고했다.

체온은 주변 환경에 관계없이 일정하게 유지되므로, 웨어러블 기기의 안정적인 전원 공급책으로 연구돼 왔다. 하지만 인체의 굴곡이 많아 설계가 어렵고, 실질적으로 착용할 수 있는 인체 부위가 넓지 않아 상용 센서를 구동할 만큼의 출력이 나오지 않았다.

이에 공동연구팀은 웨어러블 열전소자, 히트 싱크, 배터리의 시스템 통합을 통한 시너지 효과를 통해 체온만으로 상용 웨어러블 기기를 구동하고 남은 전력을 충전할 수 있음을 실험적으로 증명했다.

연구팀은 시스템 통합을 위해 열전소재를 웨어러블 형태로 착용하기 쉽게 경첩 형태로 설계했으며, 인체 체온 조절 모델링을 통해 전력 회수량을 향상할 수 있도록 형상 설계했다. 또한, 센서가 장시간 동안 안정적으로 전압을 공급받을 수 있도록 축전기(capacitor)가 아닌 리튬-황 배터리를 사용했다. 리튬-황 배터리는 전력밀도가 높아 차세대 배터리로 주목받고 있으며, 연구팀은 황을 첨가할 수 있는 나노구조화된 탄소나노튜브(CNT) 스펀지를 개발해 양극재로 사용했다.

실험에 사용된 상용 당뇨 센서(Abbott, Freestyle Libre)는 산화은 배터리를 사용하는 것으로 확인됐다. 연구팀은 이를 리튬-황 배터리와 웨어러블 열전소자의 통합시스템으로 대체했고, 정상적으로 센서를 작동할 수 있었다. 회수전력이 소모전력보다 커서 남은 전력이 배터리에 저장됐다.

연구팀은 “향후 시니어, 환자, 운동선수의 건강 상태를 실시간으로 모니터링하는 웨어러블 의료 기기뿐만 아니라 가축 전염병, 야생동물의 지속적인 모니터링에 사용되는 각종 센서에 충전이 필요 없는 안정적인 전원 공급 방안으로 활용될 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 에너지 관련 분야의 세계적인 권위지인 ‘나노 에너지(Nano Energy, IF=16.602)’에 표지논문(2021년 1월호, back cover)으로 선정됐다.