서울대 융합과학기술대학원 김연상 교수가 주도한 융합연구팀은 용액형 무기물 압전 반도체를 이용해 반복적으로 감거나 휘는 환경에서 안정적인 압전특성을 나타내는 패치형 압전에너지 수확 소자를 최초로 개발했다. 이번 연구에서 개발된 압전에너지 수확 소자는 유연한 패치형태로 활용분야가 매우 다양할 것으로 예상된다. 예를 들어 의복에 부착가능해 무릎, 팔꿈치 등 관절의 움직임만으로도 유용한 전기에너지를 만들 수 있다.
서울대학교 융합과학기술대학원 김연상 교수가 주도하고 정성윤 박사과정생, 성균관대학교 김상우 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 강종윤 박사 등이 참여한 융합연구팀은 최근 친환경 소재를 이용한 패치형 압전* 에너지 수확 소자*를 개발 완료했다. 이로써 환경을 훼손하지 않는 소형·경량의 안전한 자가 발전체를 활용한 에너지 확보의 새로운 가능성을 열었다는 평이다. 압전 에너지 수확 소자는 주변에 존재하는 진동이나 인체 활동 중 반복적인 움직임으로부터 발생하는 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 반영구적으로 변환할 수 있는 자가 발전체다. 또한, 환경을 훼손하지 않으면서 안정적 공급이 가능하고 소형, 경량화가 가능하다는 장점이 있어 세계적으로 활발히 연구되고 있는 분야다. 기존의 PZT(PbZrTi:산화물)과 같은 압전 물질은 스퍼터링이나 진공증착 시스템과 같은 대형 장비를 이용하는 고온 공정을 거쳐야 하며, 인체에 유해한 중금속(Pb: 납) 등이 요소 금속으로 필수적으로 요구된다. 이에 반해, 연구팀은 간단한 화학반응을 이용해 친환경 무기물 압전 반도체 용액을 제작했다. 그리고 이 용액을 단순히 코팅하고 저온에서 열처리하는 방식으로 압전 박막을 형성했으며, 전극을 실크스크린 기법으로 코팅하는 등 모든 공정이 용액공정으로 이뤄져 기존의 압전 물질과 비교할 때 적은 비용으로 안전하고 수월하게 제작 가능하다.
이번 연구를 통해 개발된 압전 에너지 수확 소자는 유연한 패치 형태이기 때문에 활용 분야가 매우 다양할 것으로 예상된다. 패치형 특성으로 의복 등에 부착 가능하며 무릎, 팔꿈치 등 인체 관절의 움직임만으로도 유용한 전기에너지를 만들 수 있다.
* 압전 소자: 기계적 에너지(반복적 진동, 인체 움직임 등)를 전기에너지로 전환하거나 전기에너지를 기계적 움직임으로 전환하는 소자. 반복적인 진동이나 움직임을 전기에너지로 전환할 수 있는 소자로 최근 친환경 에너지 수확 소자로 많은 주목을 받고 있다. * 에너지 수확 소자: 일상에서 버려지는 다양한 형태의 에너지를 유용한 형태의 에너지로 전환·수확하는 소자. 반복적인 움직임, 포유 에너지, 진동, 소리 등을 전기적 에너지로 전환해 수확하는 신개념의 에너지 소자를 말함.
김연상 교수 연구진의 연구를 통해 개발한 패치형 압전 에너지 수확 소자를 직접 팔에 붙이고, 반복적인 팔 운동이 전기적인 에너지로 전환되는 것을 보여준다.
이 연구에서 제작된 패치형 압전 에너지 수확 소자의 공정 모식도 및 전자현미경 사진.
또한, 향후 유연 에너지 저장 소자(유연 배터리)와 결합한다면 배터리 교환이나 충전이 필요 없는 반영구적 전기에너지 발생 소자 구현이 가능하므로, 인공 심박조율기와 같은 전원이 필요한 신체 삽입형 의료 기기의 전원으로 활용 가능하다는 점에서 기술적 의미가 크다. 김연상 교수는 "과거 압전 에너지 수확 소자는 공정 비용이 높고 복잡했으나 이번 결과를 통해 이를 대체할 수 있는 가능성을 열어줬다는 점이 중요하다. 또한, 인체에 무해한 압전 소재를 이용한다는 특징과 반복적인 운동에 따른 에너지를 전기에너지로 효과적으로 전환해준다는 점에서 향후 의류형 압전 패치나 모바일 기기 등에 적용할 것으로 기대한다"고 밝혔다. 이번 연구는 교육과학기술부의 기반형 융합연구사업 하이브리드 에너지 기술 개발 사업단(단장:KIST 윤석진 본부장)과 글로벌 프런티어 소프트일렉트로닉스 연구단(단장: POSTECH 조길원 교수)의 지원을 받아 수행했다. 기반형 융합연구사업은 출연연과 대학의 융합 연구 체계(Hub&Spoke)를 통한 융합원천기술 개발과 전문 융합연구인력양성을 목표로 하며, 이번 연구 성과는 정부출연연구기관과 대학의 벽을 허물고 융합연구팀을 구성함으로써 이뤄졌다.
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