장경인 디지스트 교수 연구팀 개발
높은 압전성능에도 잘 부서지는
PZT소재를 3차원 구조로 설계해
고효율·신축성 동시에 확보 성공
고효율 압전소자 개발에 성공한 대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 로봇및기계전자공학과 (왼쪽부터)장경인 교수, 예준우 박사과정생, 하정대 석박사통합과정생. 대구경북과학기술원 제공
기존의 압전 에너지 수확기보다 효율이 280배나 되는 고효율 웨어러블 에너지 수확기가 개발됐다. 실용화하면 피부나 옷에 부착하거나 장기의 움직임만으로도 가능해 배터리 없는 신체 삽입형 의료기 개발도 가능해질 전망이다.
대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 장경인 로봇및기계전자공학과 교수팀은 신체의 움직임을 활용해 전기 에너지를 수확할 수 있는 3차원 형태의 신축성 압전 에너지 수확기를 개발했다고 9일 밝혔다.
에너지 수확기는 마찰전기 효과와 압전 효과라는 두 가지 방식으로 나뉜다. 압전효과는 압력을 가하면 전기적 신호를 발생시키는 것을 말한다. 장 교수팀이 개발한 소자는 압전효과를 응용한 것이다.
웨어러블 기기나 심장박동기 등 피부에 부착하거나 인체에 삽입하는 센서나 의료기기 등이 잇따라 개발되면서 이에 필요한 전원공급장치로 압전 에너지 수확기에 대한 연구도 활발해졌다. 하지만 대부분 유기물이나 복합물 기반 압전 물질을 사용해 에너지 효율이 낮다는 한계가 있었다.
높은 압전성능으로 주목받는 압전 세라믹인 PZT(납 지르코네이트 타이타네이트) 소재가 있지만, 단단하고 부서지기 쉬워 신축성 소자로 확용이 어려운 단점이 있었다. 장 교수팀은 PZT를 변형에 민감하지 않은 3차원 구조로 설계해, 높은 에너지 효율과 신축성을 동시에 확보하는 데 성공했다.
또 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.
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.
이번 연구는 한국연구재단의 글로벌융합연구지원(STEAM연구)사업, 미래선도형특성화연구 사업과 네이버의 디지털바이오연구 사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 나노 분야의 세계적 권위 학술지 ‘ACS나노(NANO)’에 12월호에 게재됐다.
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