울산과학기술원(UNIST)이 사람 체온으로 실용적인 전력을 생산할 수 있는 n형 고체 열갈바닉 전지 기술을 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.

이 기술은 인체 온도와 외부 환경의 온도 차이를 활용해 전기를 생성하는 원리를 바탕으로 한다. 기존에는 인체 온도 36℃와 실내 온도 20~25℃ 사이의 미미한 온도 차이로는 전자기기 구동에 필요한 충분한 전력을 얻기 어려웠다.

장성연 교수 연구팀이 개발한 새로운 전지는 이런 한계를 극복했다. 고체형 전지의 고질적 문제였던 낮은 전류 문제를 해결하기 위해 이온이 원활하게 이동할 수 있는 전해질 구조를 새롭게 설계했다. 이온의 열 확산 현상이 전압 상승에도 기여해 전체적인 출력 성능이 개선됐다.

연구팀이 개발한 전지 100개를 직렬 연결하면 체온에서 1.5V의 전압을 생산할 수 있어 일반 AA 건전지와 동등한 성능을 보인다. 16개만 연결해도 LED 조명, 전자 시계, 온습도 센서 등의 실제 구동이 가능하다.

단위 셀의 제백 계수는 -40.05 mV/K를 기록해 기존 n형 대비 최대 5배 향상된 성능을 보였다. 제백계수가 높을수록 같은 온도차에서 더 높은 출력 전압을 얻을 수 있다. 체열로 충전과 방전을 50회 반복 실험한 결과에서도 일정한 출력을 유지해 내구성을 입증했다.

이번에 개발된 전지는 전도성 고분자 PEDOT:PSS와 Fe(ClO4)2/3 산화·환원 쌍을 기반으로 한다. 고분자 사슬의 음전하 황산기와 전해질 내 양이온의 정전기적 결합이 구조적 안정성을 제공하면서, 음이온은 자유로운 이동이 가능한 경로를 형성한다.

장성연 교수는 "저온 폐열을 활용한 플렉서블 열전 변환 소자 개발 분야에서 새로운 전기를 마련한 연구"라며 "웨어러블 기기나 자율형 IoT 기기에 전원을 공급하는 자가 발전형 시스템의 기반이 될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이 연구 성과는 영국왕립화학회(RSC) 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)에 7월 7일자로 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 지원으로 수행됐다.