자가발전과 광검출 동시 구현하는 하이브리드 나노발전기 개발

[기계신문] 압전 나노발전기는 착용형, 휴대용 및 신체 이식형 전자소자에 적용이 가능한 미래 지향적인 기술이자, 센서와 사물인터넷(IoT)과 관련된 마이크로/나노 전기기계시스템의 매우 중요한 요소기술로 각광을 받고 있다.

하지만 아직까지 나노발전기는 기초 연구수준에서 LED, LCD 혹은 소형장치를 동작시킬 수 있는 전력을 생산하는 등 가능성만 입증된 상태다. 다양한 특성의 새로운 압전 나노소재 및 구조체를 활용하게 된다면 압전 나노발전기 연구 분야에 급속한 발전을 가져올 것으로 예상된다.

이러한 가운데, 제주대학교 메카트로닉스공학과 김상재 교수 연구팀이 안티모니 요오드화황(SbSI) 화합물 소재를 사용하여 다기능 감광성 압전 나노발전기를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 새로운 에너지수확을 위한 AVBVICVII족 안티모니 요오드황(SbSI)을 이용한 압전 나노발전기를 제작하였다. 고결정질의 마이크론크기 SbSI 로드는 단순하고 경제적인 저온고상반응 기술에 의해 온도와 시간 조건에서 최적화되었다.

평판형 모듈의 SbSI 압전 나노발전기는 PDMS, PVDF, PMMA 등의 적절한 폴리머 모재를 반송가스의 사용 없이 경제적인 저온 프로세싱 기술을 이용하여 에너지수확기와 광검출기가 결합된 소자를 제작했다.

무연 SbSI 소재의 압전 및 이에 의한 광전자 효과의 퍼텐설 발생, 응력기반 분석은 단일 SbSI 마이크로로드의 양쪽에 은전극을 사용하여 수행했다. SbSI의 강유전 히스테리시스 루프(분극의 전계의존성)를 실험적으로 확인했고, 기계적인 응력 제어에 의한 광전하반송자 특성에 대하여 보고했다.

압전, 반도체와 광반응 특성을 가지는 다기능 3원 물질인 SbSI 소재를 사용하여, 2N의 외력에 의한 ~5V, ~150nA의 압전성능과 630nm의 광조사에 의한 ~20nA의 광전특성을 동시에 관찰하였으며, 0.1s/0.01s의 상승/감소의 광스위칭 속도를 확인하였다.

김상재 교수는 “개발된 SbSI 나노발전기는 자체발전, 감광성 압전 특성, 광스위칭 및 응답특성, 자가발전 및 센싱소자의 일체화 등 차별화된 특징이 있다”며 ”광트랜지스터, 광검출기 등의 차세대 광스위칭 소자뿐만 아니라, 전력공급이 어려운 지역의 화재경보 및 초미세먼지 모니터링 시스템 등의 IoT 리모트 센서에 적용될 수 있다“고 설명했다.

에너지수확기와 검출기가 분리된 자가구동 센싱소자는 여러개의 소자제작, 인터페이싱유닛, 센싱시스템의 중량화, 소자 회로의 복잡성, 광검출의 감도저하 등의 중요한 문제점을 가지고 있으나, 이번 연구에서 개발한 하이브리드 나노발전기는 배터리 없는 유연, 휴대용, 웨어러블, 임플랜터블 광전자시스템으로 작동하는 것이 가능하다.

압전-반도체-광특성의 결합 기구는 SbSI소재를 활용한 유연전자공학, 스위칭 소자, 광다이오드 및 트랜지스터, 광통신 개발이 가능하고, 태양전지, 광검출기, LED 등 광전자센서의 성능을 개선시키는 데 사용할 수 있다.

한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 나노에너지(Nano energy) 8월호에 논문으로 게재되었다.