어드밴스드 에너지 머티리얼즈 표지 논문 선정
[대학저널 백두산 기자] 광운대학교 박재영 교수 연구팀이 걷기와 달리기 등 일상 생활의 움직임과 바다의 파도, 달리는 자동차 등 다양한 주파수의 작은 진동에서 고출력의 전기를 쉽게 얻을 수 있는 친환경 하이브리드 에너지 수확 기술개발에 성공했다.
30일 박 교수에 따르면 연구팀이 개발한 하이브리드 에너지 수확 소자는 연성 자속 집중재를 이용한 하나의 고출력 전자기 에너지 수확 소자와 나노구조 표면의 마찰대전 소재를 이용한 2개의 마찰전기(접촉, 슬라이딩) 에너지 수확 소자를 결합시키는 구조다.
하이브리드 에너지 수확 소자는 휴대전화나 스마트 밴드 같은 웨어러블 스마트기기의 전원으로 활용 가능한 고출력 전기를 생산할 뿐만 아니라 전력 관리 회로와 저장소자, USB Type-C 포트까지 하나의 소형 모듈로 패키징 함으로써 다양한 응용 제품에 사용할 수 있다.
최근 과학 기술의 발달과 더불어 피트니스/헬스케어 모니터링과 같은 다기능 휴대용/웨어러블 스마트 전자기기가 일상 생활에 많이 사용되고 있으며, 사물인터넷(IoT)의 발달에 의한 센서의 사용 또한 크게 늘고 있다. 이같은 스마트 전자기기와 센서는 소형과 경량, 이동성, 내구성을 갖춘 전원 공급원이 필요하다.
교체와 충전식 전기 화학 배터리는 전원을 공급하는데는 탁월하지만 수명이 제한돼 있고, 재충전과 교체가 어려우며 배터리 폐기로 인한 환경오염도 유발한다는 단점이 있다.
작은 진동 에너지 기반의 친환경 에너지 수확 기술은 휴대용과 웨어러블 전자기기를 위한 지속 가능한 전원으로 대체될 수 있어 최근 주목을 받고 있다.
가장 활발하게 연구가 이뤄지고 있는 에너지 수확 기술에는 압전과 전자기, 마찰전기 에너지 수확 기술이 있다. 이들 중 낮은 전압에 비해 상대적으로 높은 전류를 출력하는 전자기 에너지 수확 기술과 낮은 전류에 비해 상대적으로 높은 전압을 출력하는 마찰전기 에너지 수확 기술을 결합한 전자기-마찰전기 하이브리드 에너지 수확 기술이 상용화 가능성이 높은 고출력 발전기술로 평가되고 있다.
박 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 자속 집중재와 나노표면 개질을 통한 탄성 충격 기반 고출력 하이브리드 에너지 수확 소자를 개발하는데 성공했다.
특히 하나의 큰 스프링과 4개의 작은 스프링을 적용해 낮은 주파수와 작은 크기의 진동에서도 고출력을 얻도록 했다. 또한 이론과 실험적으로 하이브리드 에너지 수확 소자의 특성과 성능을 규명하는데 성공해 다양한 응용에 적합한 맞춤형 에너지 수확 소자를 설계할 수 있게 됐다. 연구팀이 개발한 초소형 범용 자가충전 전원 모듈은 일상생활에서 34.11mW DC 전력을 생산할 수 있으며 5.6 시간 내에 30mAh Li-Po 배터리를 완전히 충전하는데 성공했다.
특히 연구팀은 개발한 친환경 자가충전 전원 모듈로 휴대전화와 이어 버드 및 스마트 밴드 충전을 성공적으로 시연했을 뿐만 아니라 수질 무선 모니터링 시스템과 자동차 내 환경(온도, 습도 및 압력) 무선 모니터링 시스템을 동작하는데도 성공했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구사업과 광운대의 교내연구비 지원으로 수행됐고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 WILEY 출판의 Advanced Energy Materials (IF: 25.245) 2020년 12월 26일자 온라인 판에 게재 및 표지 논문으로 선정됐다.
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