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웨어러블 기술이 점점 더 보편화됨에 따라, 플렉서블 전자 소재에 대한 수요도 급격히 증가하고 있습니다. 최근 호주 퀸즐랜드 공과대학교(QUT)의 연구팀은 학술지 《네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)》에 최신 연구 결과를 발표하였습니다. 연구팀은 인체의 열에너지를 효율적으로 전기에너지로 변환할 수 있는 새로운 형태의 플렉서블 반도체 소재를 개발하는 데 성공했으며, 이는 배터리 없이 작동하는 웨어러블 기기의 미래를 여는 중요한 전환점이 될 것으로 기대됩니다.
목차
혁신은 ‘공공학’에서 시작된다 원자 공간 제어로 열전 효율 향상
이번 기술 혁신의 핵심은 바로 ‘공공학(Vacancy Engineering)’에 있습니다. 이는 결정 구조 내 원자 사이의 공공/결손을 정밀하게 제어함으로써, 재료의 열적, 전기적 및 기계적 특성을 조절하는 기술입니다. 연구팀은 은-구리-(텔루륨, 셀레늄, 황) 합금을 기반으로 한 반도체 소재를 개발하였습니다. 이 소재는 은, 구리, 텔루륨, 셀레늄, 황으로 구성되며, 내부 원자 공간을 정밀하게 조절함으로써 유연하게 구부릴 수 있으면서도 우수한 열전 성능을 갖추고 있습니다.
QUT의 이난하이 박사는 공공 제어가 재료의 열-전기 변환 효율을 높일 뿐만 아니라, 우수한 가소성과 신축성까지 부여한다고 설명했습니다. 이는 인체에 밀착되며 안정적으로 전력을 생성할 수 있는 웨어러블 장치를 설계하는 데 있어 매우 중요한 요소입니다.
간단한 용융 공정으로 제작 인체에 직접 부착 가능
복잡한 전통 공정과는 달리, 이 소재는 간단하고 비용 효율적인 용융 공정을 통해 합성할 수 있어 실용적인 가치를 지니고 있습니다. 실제 응용 가능성을 검증하기 위해, 연구진은 사람의 팔에 직접 부착할 수 있는 소형 플렉서블 장치를 여러 개 개발하였으며, 이를 통해 안정적으로 전력을 생성하는 데 성공하였습니다.
연구팀은 이 박사 외에도 스샤오레이 박사, 류쓰치, 차오톈이, 장민, 뤄완위, 류웨이디, 치둥천 등이 참여했으며, 지도교수는 천즈강입니다. 이번 연구는 QUT 화학 및 물리학부, 재료과학센터, 그리고 호주연구위원회 탄소중립 무배출 발전 연구센터 등 여러 기관이 협력하여 진행하였습니다.
유연성과 성능을 모두 갖춘 해법 웨어러블 장치의 오랜 난제를 해결
웨어러블 기술의 핵심 과제 중 하나는, 장치의 유연성과 착용감을 유지하면서도 안정적이고 지속적인 전원을 공급하는 방법입니다. 인체는 본래 안정적인 열원이며, 특히 운동 시 뚜렷한 온도 차가 발생하므로 이를 효과적으로 활용할 수 있다면, 웨어러블 기기에 이상적인 에너지원이 될 수 있습니다.
천즈강 교수는 기존의 주류 플렉서블 열전 소재는 대부분 유기물이나 취약한 무기 박막이었으며, 이들은 모두 성능 또는 내구성에서 한계를 가지고 있다고 설명했습니다. 반면 이번 연구에서 사용된 은-구리-(텔루륨, 셀레늄, 황) 합금은 드물게 사용되는 무기 소재로, 뛰어난 열전 변환 성능뿐 아니라 우수한 유연성과 신장성을 함께 갖추고 있어, 미래의 열전 웨어러블 장치 핵심 소재로서 높은 가능성을 보여주고 있습니다.
미래 전망：플렉서블 열전 장치, 무전원 시대를 열까?
플렉서블 전자기기 및 웨어러블 장치 기술이 지속적으로 발전함에 따라, 열전 소재의 활용은 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 퀸즐랜드 공과대학교 연구팀은 학술지 《사이언스(Science)》에 발표한 또 다른 연구에서, 체온으로 전력을 공급할 수 있는 초박형 플렉서블 필름을 선보였습니다. 이 기술은 기존 배터리를 대체하고, 보다 경량화되고 친환경적인 장치 설계를 가능하게 할 것으로 기대됩니다.
천 교수는 다음과 같이 밝혔습니다. “플렉서블 열전 기술을 발전시키는 핵심은 다양한 가능성과 소재 조합을 탐색하는 데 있습니다. 이는 단순한 에너지 변환 기술의 진보를 넘어, 미래 웨어러블 기술이 무전원화로 나아가는 중대한 한 걸음을 의미합니다.”
참고 문헌
- 원자 ‘공공학(Vacancy Engineering)’ 기법을 활용한 신형 플렉서블 반도체 개발
- Scientists Unlock New Flexible Semiconductor Using Atomic “Vacancy Engineering”
- 전략적 공공학이 기록적인 고연신성 달성을 견인하다 AgCu(Te, Se, S) 열전 소재”，저자：Nan-Hai Li、Xiao-Lei Shi、Si-Qi Liu、Meng Li、Tian-Yi Cao、Min Zhang、Wan-Yu Lyu、Wei-Di-Di그림 Liu、DongChen Qi 25 년，3 월，3 월 3993 월Nature Communications。 DOI：10.1038/s41467-025-58104-x
(대표 이미지 출처: AI)
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