“인체의 움직임에서 고출력의 전기를 생산한다”
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박재영 광운대 교수팀, 인체동력기반 고출력 하이브리드 에너지 수확 소자 기술 개발
박재영 교수(왼쪽) 연구팀.
박재영 교수(왼쪽) 연구팀.

[한국대학신문 신지원 기자] 박재영 광운대 교수 연구팀(전자공학과)이 일상생활의 움직임이나 운동(걷기, 달리기 등)으로부터 고출력의 전기를 생산할 수 있는 에너지 수확 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 하이브리드 에너지 수확 소자는 자속 집중재를 이용한 고출력 전자기 에너지 수확 소자와 나노와이어/나노파이버 표면 개질을 통해 출력이 향상된 마찰전기 에너지 수확 소자를 결합시키는 구조로, 스마트폰이나 스마트 밴드와 같은 웨어러블 스마트 기기에 전원으로 활용 가능할 정도의 고출력 전기 생산뿐만 아니라 소자의 소형화 기술 개발에 성공했다.

최근 과학 기술의 발전과 더불어 피트니스/헬스케어 모니터링과 같은 다기능 휴대용/웨어러블 스마트전자기기가 일상생활에서 많이 사용되고 있다. 동시에 사물인터넷(IoT)의 발달에 의한 센서의 사용 또한 크게 늘고 있다. 이러한 스마트 전자기기 및 센서들은 소형, 경량, 이동성 및 내구성을 갖춘 전원 공급원이 반드시 필요하다. 교체 및 충전식 전기 화학 배터리는 전원을 공급하기에는 탁월하지만, 수명이 제한돼 있고 재충전 및 교체가 어려우며 배터리 폐기로 인한 환경 오염도 유발한다는 단점이 있다.

인체 운동 에너지 기반의 친환경 에너지 수확 기술은 휴대용 및 웨어러블 전자기기를 위한 지속 가능한 전원으로서 대체될 수 있다. 가장 활발하게 연구가 이루어지고 있는 에너지 수확 기술에는 압전, 전자기, 마찰전기 에너지 수확 기술이 있으며, 이들 중 낮은 전압에 비해 상대적으로 높은 전류를 출력하는 전자기 에너지 수확 기술과 낮은 전류에 비해 상대적으로 높은 전압을 출력하는 마찰전기 에너지 수확기술을 결합한 전자기-마찰전기 하이브리드 에너지 수확 기술이 상용화 가능성이 높은 고출력 발전기술로 평가되고 있다.

비공진 기반 고출력 하이브리드 에너지 수확소자 (a) 개념도, (b) 나노와이어 주사현미경 사진, (c) 나노파이버 주사 현미경 사진, (d) 스마트 밴드 충전 사진, (e) 스마트폰 충전.
비공진 기반 고출력 하이브리드 에너지 수확소자 (a) 개념도, (b) 나노와이어 주사현미경 사진, (c) 나노파이버 주사 현미경 사진, (d) 스마트 밴드 충전 사진, (e) 스마트폰 충전.

박재영 교수 연구팀은 자속 집중재 및 나노와이어-나노파이버 표면 개질을 통한 탄성 충격 기반 비공진형 고출력 하이브리드 에너지 수확 소자를 개발하는데 성공했다. 또한 이론과 실험적으로 하이브리드 에너지 수확 소자의 특성 및 성능을 규명하는데 성공함으로써 다양한 응용에 적합한 맞춤형 에너지 수확소자를 설계할 수 있게 됐다. 제작된 하이브리드 에너지 수확소자는 인체의 작은 움직임으로부터 1.5 kΩ의 부하저항에서 131.4 mW의 최대 전력을 얻을 수 있었고 스마트 밴드 및 스마트폰을 충전하는데 성공했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업(2017M3A9F1031270) 및 광운대 교내연구비 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 WILEY 출판의 Advanced Energy Materials (IF: 24.884, JCR Rank: 1.7%) 3월 26일자 온라인 판에 게재됐으며 저널 Back Cover 이미지로 선정됐다.


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