Advances in Wearable Thermoelectric Devices: Strategies for Enhancing Wearability and Performance

연구 배경

열전 소자는 펠티에 효과로 전기적으로 열을 이동시키고 제베크 효과로 온도차에서 전력을 얻으므로, 개인 열관리와 체열 발전에 활용할 수 있습니다. 그러나 기존 모듈은 단단해 굴곡지고 움직이는 피부와의 사이에 틈이 생기거나 박리됩니다. 초기 착용형 소자는 단단한 π형 모듈을 탄성체로 감쌌지만 큰 변형을 수용하지 못했습니다. 반대로 유연성을 높이는 설계는 전기 저항을 키우고 기생 열 경로를 만들 수 있어, 착용성과 성능을 함께 다루어야 합니다.

종설의 구성

종설은 먼저 개방회로 전압, 최대 출력, 성능지수 zT, 성능계수(COP)의 소자 수준 관계식을 정리하고, 열전 다리에 걸리는 온도차가 신체–외기 온도차보다 작다는 점을 강조합니다. 이어 착용성 향상 전략을 형상 변형, 신축성 배선, 변형 가능한 열전 소재(무기 박막·3차원 네트워크와 PEDOT:PSS·탄소나노튜브 등 유기 소재)로 나눕니다. 피부, 피부–소자 계면, 소자, 방열판으로 온도차가 나뉘는 열저항 회로를 바탕으로 외부 방열, 내부 열 경로 설계, 전기 접촉저항 감소라는 성능 향상 전략을 정리합니다.

종설이 다룬 범위

무기 열전(ITE)과 유기 열전(OTE) 소자를 발전, 능동 냉각·가열, 센싱, 창상 치유, 열 위장, 화재 경보 응용까지 다룹니다. Table 1은 인쇄형·필름형 ITE 소재의 전압, 출력, 온도차, 쌍 수를, Table 2는 OTE와 ITE 소재의 제베크 계수, 전기전도도, 역률을 비교합니다. Table 3은 착용감, 생체안전성, 장기 신뢰성 지표와 관련 ISO·IEC 표준(예: ISO 9237, ISO 10993-5, ISO 6330)을 정리하고, Table 4는 대표 소자를 정규화 출력밀도(P_norm), 정규화 전압(V_norm), 열 조절 성능, 변형 조건, 시험 환경으로 비교합니다.

종설의 주요 정리 내용

착용성 전략: 형상 변형은 고성능의 단단한 열전 다리를 유지하면서 구조가 변형을 받아들이게 합니다. 인용된 팝업 키리가미 소자는 100 °C 원통형 열원에서 40% 인장 시 개방회로 전압이 144 mV에서 143 mV로, 최대 출력이 12.4 mW에서 11.1 mW로 변했습니다. 액체금속 신축 배선은 다리 배열을 고정하는 충전재가 필요하지만, PDMS의 열전도도는 공기보다 약 6–8배 높습니다(0.16 대 0.024 W m−1 K−1). 충전율 12%의 중공 미소구 탄성체 충전재는 완전 충전 탄성체보다 개방회로 전압을 27% 높였습니다. 무기 박막 소자는 집적에 유리하지만 열이 주로 면 방향으로 흐르므로, 피부에서 두께 방향으로 흐르는 열에는 수직 정렬 또는 3차원 구조가 적합합니다. 유기 소재는 직물과 다공성 다중모드 센서에 적합하지만 역률이 낮고, n형 유기 소재 개발이 p형보다 뒤처져 있습니다.

성능 향상 전략: 연성 방열판은 방열판 열저항을 높이고, 상변화 물질은 열을 일시적으로만 흡수합니다. 인용 사례에서 녹는점 28 °C의 상변화 방열판은 400 mA에서 소자 온도를 13.4 °C 낮췄습니다. 열전도성 봉지재를 활성 다리 부위에만 적용하자 전면 봉지보다 최대 개방회로 전압이 64%, 최대 출력밀도가 171% 높았습니다. 다리 길이와 충전율에는 최적값이 있는데, 다리가 길수록 열저항과 함께 전기 저항도 커지기 때문입니다. 확산 방지층, 경사 조성 전도성 접착제, 가압 접촉은 접촉저항을 낮추지만, 대부분의 연구가 변형 가능한 열전 소재보다 단단한 다리를 대상으로 합니다.

응용과 실용 조건: 인용된 PID 제어 냉각 헤드밴드는 외기 온도 20–42 °C에서 이마 온도를 32 °C ± 0.25 K로 유지했지만, 전원 공급이 여전히 주된 장벽입니다. VR/AR 열 피드백 소자는 3.7 V, 600 mAh 배터리로 약 1.9–2시간 작동했습니다. 체열 발전 소자는 온도차 2 K에서 약 89 mV를 내어 에너지 관리 회로의 구동 전압 30.2 mV를 넘었고 무선 센싱에 전력을 공급했습니다. 종설은 열전 성능만으로 실제 착용성을 판단할 수 없다고 보고, 통기·투습도, 피부 접착, 세포독성, 물질 용출, 봉지 무결성, 땀·세탁 안정성, 장시간 착용 작동 지표를 제시합니다.

설계 틀: Figure 16은 작동 모드(발전 또는 냉각), 착용 부위와 변형 정도, 착용성 전략, 소자 수준 손실 저감 순으로 설계 선택을 정리합니다. 변형이 작으면 유연 회로기판 위 무기 열전 다리로 충분하고, 변형이 커지면 신축성 기판과 배선이 필요하며, 구조만으로 변형을 수용할 수 없을 때 본질적으로 변형 가능한 소재가 유리합니다. Table 4의 값은 기능과 경계 조건이 서로 다른 소자에서 얻은 것이므로, 저자들은 이를 순위가 아닌 성능 범위와 상충 관계를 보여 주는 자료로 다룹니다.

남은 과제

저자들은 열전 성능과 기계적 유연성 사이의 상충을 핵심 과제로 꼽고, 열전 다리 배열, 신축성 배선, 열관리, 패키징을 얇은 소자에 통합하는 일이 어려워 대부분의 w-TED가 실험실 규모에 머물러 있다고 밝힙니다. 움직임, 땀, 습도, 피부 접촉 변화, 장기 착용을 함께 반영한 평가, 노화 후 생체안전성 시험, 창상 적용 시의 엄격한 검증, 대면적 소자의 확장 가능한 제조 공정을 후속 과제로 제시합니다.

다른 연구와의 연결

Nature Communications에 보고된 모듈형 자가치유 열전 소자(DOI 10.1038/s41467-025-59602-8)는 이 종설에서 선택적 봉지 사례로 인용됩니다. 해당 연구는 3.14 μW cm−2 K−2를 보인 하나의 소자 설계를 보고하고, 종설은 이러한 설계를 열저항과 착용성의 틀 안에서 비교합니다.