'흔들어 주세요' 몸 움직임 이용하는 나노발전기 개발

KAIST 최양규 교수 "고분자가루 이용, 모든 방향 운동으로 전기생산"

국내 연구진이 일상적인 신체 움직임 수준의 운동을 이용해 전기를 생산, 휴대전화 같은 모바일기기를 충전할 수 있는 나노발전기를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최양규 교수와 김대원 박사 연구팀은 11일 고분자 가루를 마찰전기 생산 물질로 사용, 모든 방향의 움직임에서 전기를생산할 수 있는 나노발전기를 개발했다고 밝혔다.

착용형(웨어러블) 소자와 인체 삽입형(implantable) 소자, 무선 센서 등 소형전자소자가 빠르게 발전하면서 몸 움직임이나 체온 등과 같이 주변의 버려지는 에너지로 전기를 생산, 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 기술이 널리 연구되고있다.

특히 전자기적 방식이나 압전체를 이용한 에너지 수확기술이 많이 연구됐다.

그러나 전자기적 방식은 대형화에는 적합한 구조지만 소형화하면 에너지 변환효율이 낮아 출력에너지를 높이기 어렵고, 압전방식은 에너지변환 효율은 높지만 유전체 재료가 비싸고 제작공정이 복잡해 실용화가 어려웠다.

이런 문제를 극복할 방안으로 높은 에너지 출력과 저렴하고 다양한 재료, 간단한 디자인, 저온공정 등이 장점인 마찰-대전 현상(contact-electrification)을 이용한 에너지 수확 기술이 떠오르고 있다.

최 교수팀은 값싸고 쉽게 만들 수 있는 불소계 고분자가루(PTFE)를 금속전극과접촉해 전기를 일으키는 대전물질로 사용, 단방향 움직임뿐만 아니라 모든 방향의진동을 전기에너지로 바꿀 수 있는 나노발전장치를 만들었다.

이 나노발전장치는 대전물질로 고체기판이 아닌 가루를 사용했기 때문에 형태나크기를 원하는 대로 제작할 수 있고, 재료와 제조방식 모두 기존의 다른 방식 에너지수확 장치보다 비용이 월등히 저렴하다고 연구진은 설명했다.

원통 위 아래 전극을 지름 5㎝ 알루미늄, 옆면의 전극을 구리로 만든 원통에 20㎛ 크기의 PTFE 가루를 넣어 만든 나노발전장치는 초당 3회 진동운동을 이용해 최고전압 245V, 최고 전류 9.5㎂의 전기를 생산했다.

이 발전장치는 발광다이오드(LED) 240개를 동시에 작동했고 휴대전화용 충전지를 충전할 수 있는 성능을 보였다.

이 장치는 대전물질인 불소계 고분자가루가 외부에 노출되지 않아 주변환경에관계없이 상용화 가능한 수준으로 제작됐고, 인체 움직임 정도인 30㎐ 이내의 진동으로 휴대전화 충전이 가능한 전기를 생산한다고 연구진은 밝혔다.

최 교수는 "마찰-대전 에너지 수확장치는 기존 실리콘 기반공정을 그대로 적용할 수 있고 소재물질의 다양성, 가격경쟁력, 접근 용이성 등이 커 운동에너지 수확기술의 응용범위를 모바일 기기 등으로 다양하게 확장시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구는 미래창조과학부 한국연구재단과 나노종합기술원 (NNFC) 지원 사업으로 수행됐으며 연구 결과는 미국화학회(ACS) 학술지 'ACS 나노(ACS Nano, 12월 23일자)' 온라인판에 게재됐다.

scitech@yna.co.kr(끝)<저 작 권 자(c)연 합 뉴 스. 무 단 전 재-재 배 포 금 지.>