저차원 나노구조 물질 개발로 태양전지 기능과 압전효과 기능 동시 수행
[기계신문] 스마트 센서는 마이크로 프로세서와 센서에 통합하여 실내외의 모든 환경에서 작동하고 있다. 특히 실외 환경에서 전력 공급 연결은 상황에 따라 매우 힘들 수 있어, 스마트 센서는 저소비 전력 설계로 만들어지며, 보다 긴 시간 동안 동작할 수 있는 적응성을 고려하여 경제성을 향상시키는 다양한 기술 개발이 요구된다.
실제 어플리케이션에서 이러한 스마트 센서는 완전 동작 후 재사용이 가능한 추가 에너지원을 부가하여, 작동 및 적응 가능성의 신뢰성을 높일 수 있다. 이러한 재사용 에너지원은 일상생활에서 쉽게 얻을 수 있는 태양, 바람, 소리, 심장박동, 온도 변화 등이 될 수 있다.
특히, 바람, 인간의 움직임, 소리 등과 같은 진동을 기반으로 하는 에너지 수확 기술은 재료의 압전 특성을 사용하는 것과 관련하여 연구가 진행되고 있다. 뿐만 아니라, 태양이나 인공광선과 같은 외광에 기반을 둔 빛에너지 수확 기술은 물질의 밴드 갭(band gap)을 통한 광자 흡수 및 다중 산란에 의한 연구 방법을 이용하고 있다.
최근 국내 연구진이 차세대 반도체 물질를 이용한 저차원 나노구조를 개발하여 압전 효과와 광전압 효과를 동시에 거둘 수 있는 에너지 수확 장치의 가능성을 입증해 주목받고 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 송진동 박사 연구팀은 연세대학교 물리학과 조만호 교수팀과의 공동 연구를 통해 태양전지용으로 사용되는 나노선 구조 반도체의 원자 구조 배열을 압전 현상이 발생하는 구조 배열로 조절하는 것에 성공, 기존 빛에 의한 전기 생산 기능에 물리적 진동에 의한 전기 생산 기능을 함께 수행할 수 있는 물질을 개발했다.
이를 통해 하나의 물질에서 태양전지의 태양광 에너지 확보 효과와 물리적 압력 혹은 진동을 통한 압전 특성을 활용한 에너지 수확 효과를 동시에 거둘 수 있는 가능성을 입증했다.
기존의 에너지 수확 기술은 압전 특성과 광전자효율 특성이 분리되어 각각의 특성을 향상시키는 방향으로 진행되어 왔다.
예를 들어, 기존 태양전지용 물질인 실리콘(Si) 기반 반도체 물질이나 삼오(III-V)족 화합물 반도체 물질은 태양광의 흡수에 적절한 원자구조를 가지고 있는 반면, 물리적 진동에 의한 전기 생산은 불가능한 것으로 알려져 있었고, 티탄산 지르콘산 연 등의 기존 압전체는 바람, 인간의 움직임, 심장박동 등 주변의 물리적 진동을 전기로 바꾸는 기능을 향상시키는 방향으로 각기 다른 분야처럼 연구가 진행되어왔다.
연구팀은 나노선 기반 고효율 태양전지 연구과정에서 화합물 반도체(InGaAs) 일부분의 원자 구조 배열이 압전 효과를 발생시킬 수 있는 구조임을 발견하고, 나노선 내 원자 격자 구조를 모두 압전 효과 구조로 변경하는 연구를 수행하였다.
연구팀은 InGaAs의 나노선 형성 중 성장 과정의 매개 변수를 재설계하여 3차원에서 구현하기 어려운 결정구조를 만들고, 이렇게 만들어진 새로운 구조의 나노선이 외부 압력에 의해 기울어졌을 때 압전 전류가 흐르는 것을 확인하여, 기존의 광흡수는 물론 인간의 움직임이나 바람에 의한 물리적 진동을 동시에 흡수할 수 있는 첨단재료 개발에 성공하였다.
이를 통해 하나의 물질에서 압전과 광전압 효과를 모두 거둘 수 있는 가능성이 입증되어, 낮에는 주로 태양전지로 사용하고 빛이 없는 밤에는 압전으로 에너지를 흡수하는 방식으로 빛이 없는 환경에서도 에너지를 만들 수 있다는 측면에서 응용 및 활용 범위가 넓을 것으로 기대하고 있다.
이 기술은 향후 우리 주변 스마트 센서의 전력공급에 활용 가능한 동시에 빛과 소리를 동시에 기록하는 새로운 입력 소자로도 활용 가능할 전망이다.
송진동 박사는 “이번 연구결과를 바탕으로 차세대 스마트 센서의 전력공급원으로의 활용을 기대한다”고 말하며 “향후 외투 같은 웨어러블 장비에 응용된다면 사람 주변에 장착된 센서를 작동시키는 전원 역할을 할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 하에 KIST 기관고유사업의 일환으로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지 ‘Nano Energy’ 최신호에 게재되었다.