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  • 기사등록 2020-02-13 12:00:01
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[기계신문] 인체에 부착하거나 삽입하는 초소형 전자기기가 빠른 속도로 발전하고 있지만 성능향상과는 별개로 배터리를 통한 지속적인 전원공급에는 어려움이 있다.


손톱보다도 작은 초소형기기의 배터리를 매번 충전하거나 교환해주는 일은 매우 불편하며, 비용이 많이 들어가는 일이기 때문에 주변 환경에서 버려지는 에너지를 재활용하는 나노발전기가 전원공급에 대한 해법으로 주목받고 있다.


최근 한국세라믹기술원 가상공학센터 조성범 박사, 성균관대학교 화학공학·고분자공학부 방창현 교수 연구팀이 머리카락을 닮은 나노구조물을 이용해 마찰전기 에너지 수확의 효율을 크게 높일 수 있는 소자를 디자인했다.



▲ 한국세라믹기술원 가상공학센터 조성범 박사, 성균관대학교 화학공학·고분자공학부 방창현 교수 연구팀이 머리카락을 닮은 나노구조물을 이용해 마찰전기 에너지 수확의 효율을 크게 높일 수 있는 소자를 디자인했다.



사물인터넷, 웨어러블 헬스케어 등 다양한 저전력 전자기기에 대한 관심이 높아지는 가운데 자연적으로 발생하는 태양광이나 진동, 열, 바람 등 일상에서 버려지는 자투리 에너지를 수확하여 전원으로 활용하기 위한 에너지 하베스팅(energy Harvesting)에 대한 관심이 뜨겁다.


그 가운데 물체의 접촉에서 생기는 마찰전기를 이용하는 나노발전기 역시 높은 접근성과 효율 때문에 주목받고 있다. 하지만 두 물체의 접촉을 유도할 수 있는 특정 방향(접촉면의 수직방향)의 움직임에만 반응해, 효율을 높이는데 한계가 있었다.


기존에는 수평방향이나 회전하는 움직임을 이용하기 위해 소자 자체의 구조를 바꿔야 했고, 이 경우 가장 효율이 높은 수직방향의 움직임에서 나오는 에너지는 포기할 수 밖에 없었다.



▲ 머리카락 구조를 캐패시터 층 위에 얹은 마찰전기 에너지 수확 소자 개요도. 일반적인 마찰전기 에너지수확소자는 두 개의 ITO 전극판형으로 구성되어 있다. 이번 연구에서 제작한 소자는 IoT 전극 위에 PET, PTFE, PUA 등의 소재를 이용해 머리카락과 비슷한 마이크로 구조체를 올린 소자를 제작하였다.



이에 연구팀은 기존 소자구조를 변경하는 대신, 머리카락과 비슷한 마이크로 구조를 기존 소자 위에 적층함으로써 다양한 방향의 움직임을 수직방향의 움직임으로 바꾸는 방법을 제안하였다.


수평방향으로 일정한 움직임이 가해지면 이 머리카락 구조체의 응력 구조 특성상 수직방향의 진동으로 바뀌고, 결국 두 접촉면의 마찰전기를 유도해 에너지를 만들어내게 된다.


이를 통해 지폐를 바로 펴는데 1/5 정도의 힘에 불과한 0.2파스칼(Pa) 이하의 아주 적은 수평 압력에도 반응하는 고성능 마찰전기 기반 에너지 소자를 개발하였다.


나아가 이러한 수평에서 수직으로 움직임 방향이 전환되는 원리가 머리카락과 비슷한 구조에서 발생하는 반복적인 응력분포의 집중 –분산 때문임을 규명했다.



▲ 머리카락 구조 마찰전기 에너지 수확 소자의 작동원리. (위) 물체와의 수평방향 접촉이 생기면 머리카락 형태의 나노구조물이 휘면서 수직방향으로 힘을 전달하게 된다. (아래) 화살표 방향으로 바람이 불어오면 머리카락 형태의 나노구조물이 응력을 전달받으며 수직으로 하강하여 접촉상태가 형성된다.



한편 직접적인 접촉뿐만 아니라 바람과 같은 유체의 비접촉성 움직임에도 머리카락 구조 사이에서 소용돌이를 일으키며 수직방향의 진동으로 지속적인 마찰전기를 유도하여 에너지를 발생시킨다는 것을 알아냈다.


조성범 박사는 “이번 연구에서는 비교적 낮은 비용과 간단한 공정으로 만들 수 있는 머리카락 구조를 기존 소자에 적층하는 디자인으로 마찰전기 나노발전기의 효율을 크게 높일 수 있는 전략을 제안하였다”며 “초소형 IoT 기기, 생체삽입형 소자의 전원공급 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공함으로써 이 같은 기기의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.


과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초 연구사업(기본연구)의 지원을 통해 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2월 13일 표지논문으로 게재되었다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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