일상생활에서 전기 생산하는 자체 전원 공급 소자 개발
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‘웨어러블융합전자연구소’ 연구팀, 면섬유 폐기물 활용 웨어러블 전자 소자 개발
관련 논문 에너지 분야 저명 국제학술지 에 게재
경희대 전자정보대학 ‘웨어러블융합전자연구소’ 유재수 교수 연구팀이 폐섬유를 활용해 인간의 일상적 활동에서 에너지를 수확할 수 있는 자체 전원 공급 소자를 개발했다.  사진은 연구를 수행한 Sontyana Adonijah Graham 학생(박사 4기)과 유재수 교수(사진 왼쪽부터).
경희대 전자정보대학 ‘웨어러블융합전자연구소’ 유재수 교수 연구팀이 폐섬유를 활용해 인간의 일상적 활동에서 에너지를 수확할 수 있는 자체 전원 공급 소자를 개발했다. 사진은 연구를 수행한 Sontyana Adonijah Graham 학생(박사 4기)과 유재수 교수(사진 왼쪽부터).

[한국대학신문 조영은 기자] 경희대학교는 전자정보대학 ‘웨어러블융합전자연구소’의 유재수 교수 연구팀이 폐섬유를 활용해 일상생활에서 에너지를 얻을 수 있는 자체 전원 공급 소자를 개발하고, 나노발전소자의 전기적 성능이 표면적에 크게 의존하다는 사실을 입증했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 소자는 열악한 환경과 수중에서도 높은 전기성능을 보였다. 관련 연구 성과는 ‘Integrated Design of Highly Porous Cellulose-Loaded Polymer-Based Triboelectric Films toward Flexible, Humidity-Resistant, and Sustainable Mechanical Energy Harvesters’라는 논문으로 에너지 분야의 저명 국제학술지인 <ACS Energy Letters>(IF: 19.003, JCR Top 3.5%) 7월호에 게재됐다.

최근 에너지 분야에서는 ‘재생 가능 에너지’와 ‘미활용 에너지’가 주목받고 있다. 재생 가능 에너지는 지구 기온 상승을 유발하고 자원량이 제한된 화석 연료와 다르다. 태양광, 풍력, 수력, 조력 등 시간이 지나면 자연적으로 보충되는 에너지이다. 미활용 에너지는 인간의 호흡, 걷기, 달리기, 혈류 등과 차량의 움직임이나 진동 같은 일상생활에서 발생하지만 활용되지 않고 낭비되는 에너지이다. 미활용 에너지는 인간의 일상생활과 밀접해 가용성이 높다고 평가받는다.

유 교수 연구팀은 일상에서 쉽게 찾을 수 있는 면섬유 폐기물을 활용했다. 면섬유는 약 90%가 유해하지 않고 친환경적인 바이오물질인 셀룰로스(Cellulose)로 이루어져 있다. 면섬유 추출물을 고분자화합물(Polymer)과 결합하면 높은 전하 전달력을 갖는다. 연구팀은 면섬유 폐기물을 사용해 일상생활의 기계적 동작을 이용한 전기 에너지 발생기를 제작했다. 이 생산기는 유연하고 구부러지는 특성이 있어 다양한 웨어러블 장치나 구부러지는 디스플레이, 건강, 모니터링, 통신 및 생체 영감 피부 같은 특성을 띤 의복에 쉽게 부착해 휴대용 전자기기에 전력을 공급할 수 있다.

전기 생산성 향상을 위해서는 마찰전기 발전 소자의 표면적 향상이 중요하다. 이를 위해 많은 연구자가 마찰전기 필름의 표면에 미세패턴과 나노패턴을 도입하고 습식·건식 식각 공정 또는 매우 비싸고 제작이 어려운 표면 코팅 기술을 도입해 표면적을 향상하기 위해 노력한다. 결과적으로 에너지 수확 장치 제작에 큰 비용이 든다. 심지어 친환경적이지도 않아, 나노 발전소자의 상업화를 어렵게 한다.

a. 스프레이 코팅 기술에 의한 고다공성 마찰 전기 필름(HPE: Highly Porous triboelectric Film) 제작 개략도 및 완성된 필름의 전자현미경 이미지 b. 거칠기가 높은 HPE의 3차원 스캔 프로파일 이미지 c. 유연하고 착용 가능한 마찰 전기 발전기 d. 외부의 기계적 힘이 가해질 때 HPE의 다공에서 높은 전하 생성을 보여주는 그래픽 표현 e. 3.5N의 외부 기계적 힘과 5Hz의 주파수에서 3층 HPE의 Voc 및 Isc값 f. 인간의 일상생활과 수중 조건에 의한 기계적 에너지 수확 개념도
a. 스프레이 코팅 기술에 의한 고다공성 마찰 전기 필름(HPE: Highly Porous triboelectric Film) 제작 개략도 및 완성된 필름의 전자현미경 이미지 b. 거칠기가 높은 HPE의 3차원 스캔 프로파일 이미지 c. 유연하고 착용 가능한 마찰 전기 발전기 d. 외부의 기계적 힘이 가해질 때 HPE의 다공에서 높은 전하 생성을 보여주는 그래픽 표현 e. 3.5N의 외부 기계적 힘과 5Hz의 주파수에서 3층 HPE의 Voc 및 Isc값 f. 인간의 일상생활과 수중 조건에 의한 기계적 에너지 수확 개념도

이런 어려움 해결을 위해 유 교수 연구팀은 간단한 제조 공정으로 고효율 에너지를 수확할 수 있는지 연구했다. 연구 결과 폐섬유를 활용해 환경친화적인 생분해성, 무독성 마찰전기 필름을 도입할 수 있었다. 필름의 표면적을 개선하고 최적화하기 위해 표면 코팅 기술을 사용했다. 이 방식은 매우 경제적이고 공정이 간단해 상업화 가능성도 크다.

유 교수 연구팀은 마찰전기 필름을 마찰전기 나노발전소자 제작에 사용했다. 이 소자는 마찰전기 발생이 열악하다고 알려진 고습한 환경에서도 외부 기계 에너지가 작용할 시에 높은 전기 성능을 나타냈다. 연구팀은 마찰전기 필름의 표면적 크기를 여러 개로 변화시켜서 나노발전소자의 전기적 성능의 효율을 체계적으로 분석하기도 했다.

유 교수 연구팀은 다양한 표면적 유도 마찰전기 필름을 비교해, 유효 표면적에 따라 전기적 성능이 크게 변화함도 확인했다. 또 마찰전기 필름에 높은 다공을 유도해 외력이 가해지면 전하 발생이 향상됨도 증명했다.

관련 논문의 주 저자인 Sontyana Adonijah Graham 학생(박사 4기)은 “효율적이고 착용 가능하며 환경친화적이고 지속가능한 기계 에너지 수확 장치를 만드는 것이 목표”라며 “녹색 에너지원으로 에너지위기와 기후위기를 극복하는 연구를 계속하고 싶다”라고 말했다.


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