DGIST, '인체 작은 움직임으로 전기 발전' 초박막 고효율 소자 개발

일상생활의 움직임에서 전기를 생성하는 초박막 고효율 압전 소자 개발

- DGIST 이성원, 장경인 교수팀, 일상생활에서 작은 인체의 움직임을 이용한 고효율 전기 발전장치 개발 성공

- 작지만 연속적인 에너지 축적을 이용하여 배터리 없이 장시간 생체 신호 모니터링이 가능한 건강 진단 시스템 실현에 한걸음

□ DGIST(총장 국양) 화학물리학과 이성원 교수 연구팀은 생체친화적 물질을 사용하여 소자 두께를 최소화하여 눈 깜빡임 등의 인체의 작은 움직임에서 효율적으로 전기 에너지를 얻는 데에 성공했다. 개발된 에너지 발전 소자는 원격 의료 진단 기기의 에너지원으로의 적용이 기대된다.

□ 원격 의료 시스템의 필요성이 증가하면서, 전자피부형 센서에 장시간 지속적으로 에너지를 공급할 새로운 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 진동과 압력, 외부충격 등을 가하여 전기에너지로 변환하는 원리의 발전 방식인 압전 에너지 발전은 친환경 에너지인 물리적 움직임에서 전기를 얻을 수 있다는 장점이 있어 주목받고 있다. 그러나 현재 제작되고 있는 압전 에너지 발전 소자는 성능의 극대화를 위해 몸에 유해한 물질인 PZT (지르콘산염 PbZrO3과 티탄산염 PbTiO3의 고용체의 총칭으로 화학식의 머리글자를 따서 PZT이며, 주성분이 납으로 이루어져 있어 독성을 가지고 있음) 등을 사용하고 있기에 실제 인체에 적용하기 위해서는 보호막을 이용해야 하므로 소자의 총 두께가 증가하게 된다. 소자가 두꺼우면 작은 인체의 움직임에 의해 변형되기 어려우며, 피부에서 분리되는 등 효율적인 에너지 수확이 불가능하다.

□ 이에 DGIST 이성원 교수팀은 약 4 마이크로미터의 초박막 형태로 압전 발전 소자를 제작, 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않으면서 높은 에너지 효율로 전기 에너지를 수확하는 데 성공하였다. 특히 개발한 에너지 발전소자는 접히거나 곡선의 표면에서도 일정한 성능을 보이며, 약 10,000번 이상의 변형에도 성능 저하 없이 에너지를 얻을 수 있어 안정적인 전력원이 될 수 있는 가능성을 보여줬다.

□ 생체친화적 압전 고분자 물질인 PVDF-TrFE (PVDF-TrFE 고분자는 압전특성과 초전특성을 동시에 가지고 있어 압전 변환기나 적외선 센서로 유용하게 활용 가능)를 사용한 이번 에너지 발전 소자는 입력 에너지인 기계적 에너지를 출력 에너지인 전기 에너지로 변환하는 에너지 전환 효율 (Energy conversion efficiency)가 18.85%로 세계 최고 수준으로 높으며, 이를 통해 작은 움직임에서 LED 램프를 성공적으로 켤 수 있었다.

□ DGIST 화학물리학과 이성원 교수는 “초박막을 기반으로 한 본 에너지 발전 소자는 동일한 조건의 두꺼운 기판의 소자보다 효율이 10배 정도 증가하였다”며 “초고효율의 발전소자로 인체의 작은 움직임에서 발생되는 에너지로 장시간 생체 신호를 측정하는 센서에 전원을 공급할 수 있는 신개념 에너지 소자로 무겁고 단단한 배터리를 대체할 가능성을 보여주는 잠재력이 매우 큰 연구다.”고 말했다.

□ 한편, 이번 연구는 선도연구센터의 지원을 받아 에너지 분야 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 4월 5일(화) 온라인 게재됐다.

연구 결과 개요

Multi-deformable piezoelectric energy nano-generator with high conversion efficiency for subtle body movements

Jihoon Bae, Jinkyu Song, Wooseong Jeong, Koteeswara Reddy Nandanapalli, Nayoung Son, Nora Asyikin Binti Zulkifli, Gihyeok Gwon, Mijin Kim, Seungsun Yoo, Hyeokjun Lee, Hyeokjoo Choi, Seonmin Lee, Hunanyu Cheng, Cheolgi Kim, Kyung In Jang, Sungwon Lee

(Nano Energy, on-line published on 04.05, 2022) 

  원격 의료 진단용으로 사용되는 웨어러블 디바이스는 기기의 용도에 최적화할 수 있도록 장시간 동안 문제없이 에너지를 공급할 수 있는 에너지 공급원이 필요하다. 압전 발전 소자는 인간의 움직임을 이용하여 전기 에너지를 만들어낼 수 있어 미래의 에너지원 중 하나로 주목받고 있다. 이러한 웨어러블 에너지 발전 소자는 미세한 인체 또는 피부 움직임에도 쉽게 변형이 되어야 하며, 이는 일상적인 움직임에도 지속적으로 전기를 발전할 수 있게끔 한다. 그러나, 현재 연구가 진행되었던 압전 발전 소자들은 작은 움직임에 효율적으로 반응 및 변형을 하기가 어려우며, 결국 피부에 부착된 상태일 때에는 그렇지 않을 때보다ㅣ 에너지 전환 효율이 급격하게 하락하는 문제점이 발생한다.

  본 연구에서는 인체에 친화적인 압전 고분자 물질인 Poly(vinlyidene fluoride-trifluoroethylene) (PVDF-TrFE)를 사용하여 유연한 초박막 압전 발전 소자를 제작하였다. 소자의 두께가 약 4 마이크로미터로, 피부의 주름이 반영된 인체의 표면에 완벽하게 부착될 수 있는 제작된 압전 발전 소자는 호흡이나 눈 깜빡임과 같은 인체의 작은 움직임을 효과적으로 감지해내어 에너지를 만든다. 본 소자는 최대 18.85 %의 에너지 전환 효율을 지니며, 이는 두께를 두껍게 한 동일한 방법의 소자와 비교하였을 때 약 10배의 효율 증가를 나타낸다. 이러한 고효율, 피부의 부착성으로 인해 본 소자는 인체 웨어러블 디바이스 중 에너지 공급원으로서의 잠재력을 크게 지니고 있다.