▲ 개발한 근적외선 무선충전 플랫폼과 웨어러블 헬스케어밴드에 응용한 모식도

국내 연구진이 눈에 보이지 않는 근적외선 대역의 빛 에너지를 전기로 변환해 웨어러블 같은 전자기기에 영구적으로 충전할 수 있는 플랫폼을 고안했다.

KAIST는 이정용 EEWS 대학원 교수와 최장욱 서울대학교 교수 공동 연구팀이 콜로이달 양자점의 높은 광전변환소자를 이용해 웨어러블 전자기기용 영구 무선충전 플랫폼을 개발했다고 14일 밝혔다.

수 나노미터 수준의 콜로이달 양자점은 광 특성 변환이 쉽고 용액 공정을 통해 합성이 가능해 차세대 반도체 재료로 각광받는다. 특히 황화납(PbS) 양자점의 경우 가시광 뿐 아니라 적외선 영역까지 광 흡수가 가능해 여러 광전소자에 응용할 수 있다.

콜로이달 양자점을 이용한 광전변환소자는 현재 12% 이상의 광전변환효율을 달성했으나 그동안 뚜렷한 응용 분야가 없었다.

이에 연구팀은 웨어러블 전자기기의 무선충전에 콜로이달 양자점 전지를 응용했다. 양자점 전지 모듈을 유연 기판에 제작해 고 유연성 웨어러블 배터리와 함께 웨어러블 헬스케어 팔찌의 가죽 내부에 이식했다.

이어 양자점 전지가 근적외선 광자를 통해 생성되는 전기를 배터리에 충전할 수 있는 플랫폼을 개발했다. 기존 웨어러블 전자기기의 번거로운 충전 방식을 보완한 것이다.

근적외선은 비가시대역의 빛이기 때문에 생활에 지장을 주지 않으며 가시광 대역에 비해 높은 투과도를 가져 전지를 노출할 필요 없이 내부 이식이 가능하다.

또한 실제 상용화에 중요한 요소인 디자인 측면에서 높은 많은 자유도를 가지며, 기존 구조보다 더 높은 소자 효율과 안정성을 확보했다.

연구팀은 상용화된 웨어러블 헬스케어 팔찌의 기존 배터리를 제거하고 개발한 무선충전 플랫폼을 도입해 실제 개발한 플랫폼이 상용화된 저전력 웨어러블 전자기기에 응용을 증명했다.

이 교수는 “근적외선 대역을 이용해 실제 웨어러블 전자기기의 충전문제를 해결한 것은 새로운 방식이다”며 “이번에 개발한 플랫폼의 규모를 넓히면 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, IoT, 드론 및 4차산업의 핵심 분야의 새로운 방식의 에너지 변환 플랫폼이 될 것”이라고 말했다.

한편, 해당 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.

또한 백세웅 박사, 조정민 석사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 5월11일자 온라인 판에 게재됐다.