박재영 교수팀, 걸으면서 충전하는 친환경 에너지 발전기술 개발

- 일상생활가운데 큰 전기를 수확하는 진동기반 초고출력 에너지하베스팅 기술 개발 -

- 웨어러블 스마트기기, IoT 시스템, 스마트폰의 반영구적 친환경 전원으로 활용 기대 -

- 국제유수 학술지, 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (IF: 29.678) 표지 논문 선정 -

본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 우리의 일상생활에서 버려지는 인체의 기계적 에너지 (걷기, 달리기 등) 에서 초고출력의 전기를 반영구적으로 얻을 수 있는 친환경 하이브리드 에너지 수확 소자 개발에 성공하였다. 연구팀이 개발한 하이브리드 에너지 수확소자는 할바흐 자석배열 (Halbach magnet array)을 이용한 전자기력 에너지 수확소자와 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethylene Oxide Nanofiber) 나노섬유 (양성 마찰소재)와 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 나노와이어 (음성 마찰소재)를 이용한 두 개의 슬라이딩 마찰전기 에너지 수확소자를 하나의 디바이스로 결합한 구조로 스마트 폰이나 스마트 밴드와 같은 다양한 웨어러블 스마트기기에 반영구적 전원으로 활용 가능할 정도의 초고출력의 전기를 생산하였다.

<박재영 교수(좌)와 소헬 박사과정(우)>

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 반영구적 전원 공급원이 반드시 필요하다. 현재 사용중인 교체 및 충전식 전기화학 배터리는 수명과 사용환경에 제한이 많고, 재충전 및 교체가 어려우며, 배터리 폐기로 인한 환경 오염도 유발한다는 단점이 있다. 하지만, 최근에 주목을 받고 있는 진동 에너지 기반의 친환경 에너지 수확기술은 휴대용 및 웨어러블 전자기기를 위한 지속 가능한 반영구적 전원으로서 활용될 수 있다. 가장 활발하게 연구가 이루어지고 있는 진동에너지 수확 기술에는 압전력, 전자기력, 마찰전기 에너지 수확 기술이 있으며, 이들 중 낮은 전압에 비해 상대적으로 높은 전류를 출력하는 전자기력 에너지 수확 기술과 낮은 전류에 비해 상대적으로 높은 전압을 출력하는 마찰전기 에너지 수확기술을 결합한 전자기력-마찰전기 하이브리드 에너지 수확 기술이 상용화 가능성이 높은 고출력 전원기술로 평가되고 있다.

박재영교수 연구팀은 영구자석으로부터 나오는 자속의 세기를 강화시키고 한쪽의 코일에만 결합을 집중시켜 초고출력을 냄과 동시에 수확소자의 크기를 소형화하기 위하여 할바흐 자석배열을 사용하였고, 음성 마찰소재인 PTFE 나노와이어와 전기방사기술로 제작된 양성 마찰소재인 폴리에틸렌옥사이드 나노섬유를 사용하여 접촉면적을 넓히고 기계적 특성을 크게 향상 시켜 초고출력과 신뢰성을 갖춘 슬라이딩 기반 마찰전기 에너지 수확소자를 개발하는데 성공하였다. 연구팀이 개발한 초소형 친환경 초고출력 에너지하베스팅 소자는 걷기와 같은 일상생활에서 1.02W의 전력을 생산할 수 있으며 100초 내에 3.7V, 500mAh 리튬이온 배터리를 충전하는데 성공하였다. 또한 연구팀은 개발한 하이브리드 에너지하베스팅 소자로 스마트 폰, 이어 버드, 스마트워치, 스마트 밴드 충전을 성공적으로 시연하였을 뿐만 아니라 자체 제작한 다공성그래핀 소재 기반 심전도 및 근전도 센서와 무선 헬스케어 모니터링 시스템을 제작 및 시연하는데 성공하였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구사업 (2017M3A9F1031270) 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업 (RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발) 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 WILEY 출판의 Advanced Energy Materials (IF: 29.678) 2022년 11월 게재 및 표지 논문으로 선정되었다.

Web link: https://doi.org/10.1002/aenm.202202238

<초고출력 하이브리드 에너지 수확소자 및 그 응용 예시>