DGIST(총장 국양) 화학물리학과 이성원 교수 연구팀은 생체친화적 물질을 사용하여 소자 두께를 최소화하여 눈 깜빡임 등의 인체의 작은 움직임에서 효율적으로 전기 에너지를 얻는 데에 성공했다. 개발된 에너지 발전 소자는 원격 의료 진단 기기의 에너지원으로의 적용이 기대된다.
 

▲ 초박막 압전 에너지 발전 소자의 발전 메커니즘(이미지 출처=DGIST)

원격 의료 시스템의 필요성이 증가하면서, 전자피부형 센서에 장시간 지속적으로 에너지를 공급할 새로운 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 진동과 압력, 외부충격 등을 가하여 전기에너지로 변환하는 원리의 발전 방식인 압전 에너지 발전은 친환경 에너지인 물리적 움직임에서 전기를 얻을 수 있다는 장점이 있어 주목받고 있다.  

그러나 현재 제작되고 있는 압전 에너지 발전 소자는 성능의 극대화를 위해 몸에 유해한 물질인 PZT  등을 사용하고 있기에 실제 인체에 적용하기 위해서는 보호막을 이용해야 하므로 소자의 총 두께가 증가하게 된다. 소자가 두꺼우면 작은 인체의 움직임에 의해 변형되기 어려우며, 피부에서 분리되는 등 효율적인 에너지 수확이 불가능하다. 

이에 DGIST 이성원 교수팀은 약 4 마이크로미터의 초박막 형태로 압전 발전 소자를 제작, 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않으면서 높은 에너지 효율로 전기 에너지를 수확하는 데 성공하였다. 특히 개발한 에너지 발전소자는 접히거나 곡선의 표면에서도 일정한 성능을 보이며, 약 10,000번 이상의 변형에도 성능 저하 없이 에너지를 얻을 수 있어 안정적인 전력원이 될 수 있는 가능성을 보여줬다. 

이번 연구에서는 인체에 친화적인 압전 고분자 물질인 Poly(PVDF-TrFE)를 사용하여 유연한 초박막 압전 발전 소자를 제작하였다. 소자의 두께가 약 4 마이크로미터로, 피부의 주름이 반영된 인체의 표면에 완벽하게 부착될 수 있어서, 호흡이나 눈 깜빡임과 같은 인체의 작은 움직임을 효과적으로 감지해내어 에너지를 만든다.  

▲ 초박막 압전 에너지 발전 소자의 응용(이미지 출처=DGIST)

이번 에너지 발전 소자는 입력 에너지인 기계적 에너지를 출력 에너지인 전기 에너지로 변환하는 에너지 전환 효율 (Energy conversion efficiency)가 18.85%로 세계 최고 수준으로 높으며, 이를 통해 작은 움직임에서 LED 램프를 성공적으로 켤 수 있었다. 이러한 고효율, 피부의 부착성으로 인해 인체 웨어러블 디바이스 중 에너지 공급원으로서의 잠재력을 크게 지니고 있다.

DGIST 화학물리학과 이성원 교수는 “초박막을 기반으로 한 본 에너지 발전 소자는 동일한 조건의 두꺼운 기판의 소자보다 효율이 10배 정도 증가하였다”며 “초고효율의 발전소자로 인체의 작은 움직임에서 발생되는 에너지로 장시간 생체 신호를 측정하는 센서에 전원을 공급할 수 있는 신개념 에너지 소자로 무겁고 단단한 배터리를 대체할 가능성을 보여주는 잠재력이 매우 큰 연구다.”고 말했다. 
 

▲ 관련사진(왼쪽에서 오른쪽 방향) dgist 화학물리학과 이성원 교수, 배지훈 석박사통합과정생, 로봇및기계전자공학과 장경인 교수(이미지 출처=DGIST)

한편, 이번 연구는 선도연구센터의 지원을 받아 에너지 분야 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 4월 5일(화) 온라인 게재됐다. 

글. 이지은 기자 smile20222@brainworld.com | 이미지 및 자료출처 = 대구경북과학기술원(DGIST)