국내 연구진이 친환경 소재를 이용한 패치형 압전* 에너지 수확소자를 개발함에 따라 환경을 훼손하지 않는 소형ㆍ경량의 안전한 자가 발전체를 활용한 에너지 확보의 새로운 가능성을 열었다. 

압전소자는 기계적 에너지(반복적 진동, 인체움직임 등)를 전기에너지로 전환하거나 전기에너지를 기계적 움직임으로 전환하는 소자이고 에너지수확소자 : 일상에서 버려지는 다양한 형태의 에너지를 유용한 형태의 에너지로 전환ㆍ수확하는 소자이다. 

서울대학교 융합과학기술대학원 김연상 교수와 정성윤 박사과정(제1저자), 성균관대학교  김상우 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 강종윤 박사 등이 참여한 융합연구팀이 주도한 이번 연구결과는 재료과학분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머트리얼즈 (Advanced Materials)' 최신판(’12.11.27 발행) 인사이드 표지논문으로 게재되었다. 

이번 연구는 교육과학기술부의 기반형 융합연구사업 하이브리드 에너지 기술 개발 사업단(단장: KIST 윤석진 본부장)과 글로벌 프론티어 소프트일렉트로닉스 연구단(단장: POSTECH 조길원 교수)의 지원을 받아 수행되었다. 

기반형 융합연구사업은 출연연과 대학의 융합 연구 체계(Hub & Spoke)를 통한 융합원천기술 개발과 전문융합연구인력 양성을 목표로 하며, 이번 연구 성과는 출연연과 대학의 벽을 허물고 융합연구팀을 구성함으로써 이루어졌다. 

김연상 교수가 주도한 본 융합연구팀은 용액형 무기물 압전반도체를 이용해 반복적으로 감거나 휘는 환경에서 안정적인 압전 특성을 나타내는 패치형 압전 에너지수확소자를 최초로 개발했다고 밝혔다. 

압전 에너지수확소자는 주변에 존재하는 진동이나 인체활동 중 발생하는 반복적인 움직임으로부터 발생하는 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 반영구적으로 변환할 수 있는 자가 발전체이다. 또한, 환경을 훼손하지 않으면서 안정적 공급이 가능하고 소형, 경량화가 가능하다는 장점이 있어 세계적으로 활발히 연구되고 있는 분야이다. 

기존의 PZT(PbZrTi-산화물)과 같은 압전물질은 스퍼터링이나 진공증착시스템과 같은 대형장비를 이용하는 고온공정을 거쳐야 하며, 인체에 유해한 중금속(Pb; 납) 등이 요소금속으로 필수적으로 요구된다. 

이에 반해, 연구팀은 간단한 화학반응 이용하여 친환경 무기물 압전반도체 용액을 제작하였다. 그리고 이 용액을 단순히 코팅하고 저온에서 열처리하는 방식으로 압전박막을 형성하였으며, 전극을 실크스크린 기법으로 코팅하는 등 모든 공정이 용액공정으로 이루어져서 기존의 압전물질과 비교했을 때 적은 비용으로 안전하고 수월하게 제작이 가능하다. 

해당 연구를 통해 개발된 압전 에너지수확소자는 유연한 패치형태이기 때문에 활용 분야가 매우 다양할 것으로 예상된다.  

패치형 특성으로 인해 의복 등에 부착 가능하며 무릎, 팔꿈치 등의 인체 관절의 움직임만으로도 유용한 전기에너지를 만들 수 있다.

또한, 향후 유연 에너지 저장 소자(유연 배터리)와 결합된다면 배터리 교환이나 충전이 필요 없는 반영구적 전기에너지 발생소자 구현이 가능하므로, 인공심박조율기와 같은 전원이 필요한 신체 삽입형 의료 기기의 전원으로 활용 가능하다는 점에서 기술적 의미가 크다고 할 수 있다.

김연상 교수는 “과거 압전 에너지수확소자는 공정비용이 높고 복잡하였으나 이번 결과를 통해 이를 대체할 수 있는 가능성을 열어줬다는 점이 중요하다. 또한, 인체에 무해한 압전소재를 이용한다는 특징과 반복적인 운동에 따른 에너지를 전기에너지로 효과적으로 전환해 준다는 점에서 향후 의류형 압전패치나 모바일 기기 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다. 

<기사출처 | 교육과학기술부 보도자료>