- DGIST 장경인 교수팀, 신체 움직임만으로 전자기기를 작동시킬 수 있는 고효율 웨어러블 에너지 수확기 소자 개발

- 연구결과는 나노분야 세계적 권위 학술지 ‘ACS NANO’에 게재

[(왼쪽부터) DGIST 로봇및기계전자공학과 장경인 교수, 예준우 박사과정생, 하정대 석박사통합과정생]

DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 장경인 교수팀이 신체의 움직임을 활용해 전기 에너지를 수확할 수 있는 3차원 형태의 신축성 압전 에너지 수확기를 개발했다. 이 소자는 피부나 옷에 부착해 웨어러블 에너지 수확기로 활용 가능할 것으로 기대된다.

에너지 수확기는 마찰전기 효과와 압전 효과라는 두 가지 방식으로 나뉜다. 이번에 개발된 소자는 압전 효과를 기반으로, 피부의 탄력적인 움직임이나 관절의 운동 등 신체 활동에서 전기를 생산한다.

기존에도 늘어나는 압전 에너지 수확기가 연구되었지만, 대부분 유기물이나 복합물 기반 압전 물질을 사용해 에너지 효율이 낮았다. 이로 인해 신체 운동에서 충분한 전기를 수확하지 못했고, 웨어러블 에너지 소자로 활용되기에는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 압전 효율이 높은 PZT(Lead Zirconate Titanate) 소재를 기반으로 한 소자를 개발했다. PZT는 뛰어난 압전 성능을 지니지만 단단하고 부서지기 쉬워 신축성 소자로 활용하기 어려웠다. 그러나 장경인 교수팀은 연구를 통해 PZT를 변형에 민감하지 않은 3차원 구조로 설계해, 높은 에너지 효율과 신축성을 동시에 확보했다.

또한, 곡률 특이적 결합 전극 설계라는 새로운 방식을 도입해 소자의 전기 에너지가 상쇄되지 않도록 전극을 구간별로 나눠 배치했다. 이를 통해 기존 늘어나는 압전 에너지 수확기 대비 280배 이상 높은 에너지 효율을 달성했다.

로봇및기계전자공학과 장경인 교수는 “효율이 높은 신축성 압전 에너지 수확기 기술을 개발한 것은 이번 연구의 주요 성과 중 하나”라며, “이번 연구가 웨어러블 에너지 수확기의 상용화와 실질적 활용으로 이어지길 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 STEAM연구 사업, 미래선도형특성화연구 사업과 네이버의 디지털바이오연구 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 나노 분야의 세계적 권위 학술지 ‘ACS NANO’에 12월 게재됐다.

연구결과개요

Curvature-Specific Coupling Electrodes Design for Stretchable Three-dimensional Inorganic Piezoelectric Nanogenerator

Junwoo Yea, Jeongdae Ha, Kyung Seob Lim, Hyeokjun Lee, Saehyuck Oh, Janghwan Jekal, Tae Sang Yu, Han Hee Jung, Jang-Ung Park, Taeyoon Lee, Jae-Woong Jeong, Hoe Joon Kim, Hohyun Keum, Yoon Kyeung Lee and Kyung-In Jang

(ACS NANO, published on December 5, 2024)

본 논문에서는 단단한 세라믹(PZT) 기반 고효율의 늘어나는 에너지 수확기 소자를 개발했다. 기존의 압전 소자를 이용한 에너지 수확기는 단단하여 늘어날 수 없거나, 유기물이나 복합물 압전 소자를 이용하여 늘어나더라도 에너지 효율이 매우 낮다는 단점이 있었다. 이러한 단점으로 인해 기존 압전 에너지 수확기 소자는 웨어러블 형태로 활용되기에 효용성이 높지 않다고 여겨져 왔으나, 본 연구를 통해 고효율의 신축성 웨어러블 에너지 수확기 소자 제작에 대한 가능성을 보였다. 연구 핵심 전략은 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 단단한 세라믹 물질인 PZT를 3D 버클링 구조로 제작하여 소자에 신축성을 부여하는 것이다. 3D 버클링 구조로 제작된 에너지 수확기 소자는 단단한 물성에도 불구하고 구조 특유의 구불구불한 형태로 인해 늘어날 수 있다. 이때 3D 버클링 구조에는 곡률이 음(-)인 영역과 양(+)인 영역이 생기는데, 각 영역에는 서로 반대 방향의 전압이 유도되기 때문에 각 영역이 전기적으로 독립되어 있지 않으면 수확된 전기적 에너지가 상쇄되어 사라지는 현상이 발생한다. 이러한 에너지 상쇄를 방지하기 위해, 두 번째 핵심 전략인 “전극을 곡률 특이적으로 결합하는 방식”을 활용했다. 곡률의 방향에 맞게 독립적으로 설계된 전극 구조는 각 영역에서 발생한 반대 방향의 전압(전기적 에너지)을 따로 저장하여 에너지 상쇄를 방지한다. 따라서 첫 번째 전략(구조 역학적 설계)을 통해 소자에 신축성을 부여했으며, 두 번째 전략(곡률 특이적 전극 결합 설계)을 통해 수확된 에너지가 손실되는 것을 방지했다. 이를 통해 기존보다 에너지 효율이 280배 이상 높은 초고효율의 늘어나는 에너지 수확기를 개발했으며, 웨어러블 또는 임플란터블 형태의 소자로 활용될 수 있음을 보였다.

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가

에너지 효율은 매우 높은 세라믹 기반의 압전 물질인 PZT는 부서지기 쉽고 단단한 물성 때문에 신축성 소자에는 적용되기 어려웠다. 본 연구에서는 PZT 기반의 압전 에너지 수확기 소자에 3D 버클링 구조를 적용하여 신축성을 부여하여 기존보다 280배 이상 에너지 효율이 높은 초고효율의 신축성 에너지 수확기 소자를 개발했다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나

피부나 옷에 소자를 부착하여 신체의 움직임에서 전기 에너지를 지속적으로 수확할 수 있으며, 심장이나 횡경막에 삽입하면 장기의 움직임에서 발행하는 에너지를 수확하여 배터리 없이 전자소자를 작동시키거나 충전시킬 수 있다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는

본 연구는 고효율의 신축성 에너지 수확기 소자 제작에 대한 새로운 전략과 가능성을 보였으나, 실용화를 위해서는 구조나 공정 프로세스의 최적화가 더 필요하다. 이를 통해 더 높은 에너지 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대되며 최적화 작업은 3~4년 내 가능할 것으로 예상한다.

Q. 연구를 시작한 계기는

친환경 에너지 기술로써 에너지 수확 기술은 큰 관심을 받고 있음에도 불구하고, 여전히 낮은 에너지 효율과 낮은 활용성으로 인해 실용화에 한계가 있었다. 이를 해결하고자 효율이 높으면서도 활용성이 높은 압전 에너지 수확기 소자의 가능성을 보여주기 위한 연구를 진행했다.

Q. 어떤 의미가 있는가

기존 신축성 압전 에너지 수확기에 대한 연구에서는 내재적으로 신축성이 있는 유기물 또는 복합물 기반의 압전 물질이 널리 활용되어 왔다. 하지만 이런 물질들은 에너지 효율이 낮다는 한계점이 있었다. 본 연구는 에너지 효율이 높지만 단단한 PZT를 신축성 에너지 수확기 소자에 활용할 수 있음을 보였으며, 신축성 에너지 수확기 소자 전극 설계에 대한 새로운 방식을 제시함으로써 신축성 에너지 수확기 연구 분야에 새로운 방향성을 제시한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는

본 연구를 통해 에너지 수확기 분야에 새로운 인사이트를 제공하여 더욱 활발한 연구가 진행되었으면 한다.

그림설명

[그림 1] 3D 버클링 형태의 압전 에너지 수확기

(그림설명) (a) 3D 버클링 형태의 압전 에너지 수확기 개략도, 곡률이 음인 영역은 파란색, 양인 영역은 빨간색으로 표시됨. (b) 펼쳐진 압전 에너지 수확기의 사진 이미지. Buckling region 은 추후 3D 버클링 형태가 되는 영역이며, Adhesive region은 신축성 기판과 접착되는 영역을 의미함. (c-d) 소자가 연신 되었을 때(c) 와 연신되지 않았을 때(d) 사진과 응력 분포(시뮬레이션 결과). (e) 단방향으로 정렬된 소자(왼쪽)와 양방향으로 정렬된 소자 어레이 사진