국내 연구팀, 초저주파 진동에너지 수확 가능 나노발전 메커니즘 발견

경상국립대 조대현-성균관대 변도영-부산대 이승기 교수 공동연구
연구결과, 에너지·환경·화학공학 분야 세계적 권위의 학술지 게재
"0.5Hz 이하의 초저주파 영역에서 최고 수준의 전류밀도 달성"

경상국립대학교는 IT공과대학 메카트로닉스공학부 조대현 교수팀이 성균관대 변도영 교수, 부산대 이승기 교수 연구팀과 공동연구를 통해 초저주파 진동에너지를 효과적으로 수확할 수 있는 나노발전 메커니즘을 발견했다고 11일 밝혔다.

연구 결과는 에너지·환경·화학공학 분야 세계적 권위의 학술지 '에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy & Environmental Science)'(Impact Factor: 32.4)에 8월 23일 자로 온라인 게재(doi.org/10.1039/D4EE02225D)됐다. 논문 제목은 '변형에 의한 대전과 이를 이용한 유연 나노발전기 개발 및 초저주파 진동에너지(0.5-0.01Hz) 수확이다. '에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스'는 임팩트 팩터의 기준으로 저널인용보고서(JCR) 화학공학 분야 170개 학술지 중 랭킹 1위이다.

경상국립대에 따르면 생체 이식형 기기(Implantable Device)는 교체하기 어렵기 때문에 장시간 동안 고신뢰성으로 구동해야 한다. 이에 수명이 한정된 에너지 저장장치를 이용하기보다 생체에서 발생하는 진동에너지를 이용한 자가발전(Self-Powering) 방식이 미래 기술로 각광받고 있다.

생체에서 발생하는 진동에너지가 대부분이 1Hz 미만의 저주파 에너지임을 고려한다면 이를 효과적으로 수확할 수 있는 기술이 반드시 필요하다. 현재 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator)가 저주파 진동에너지를 수확하는 방식 중 가장 효과적인 것으로 알려져 있지만 여전히 0.1Hz 이하의 초저주파에서 효율이 급격히 떨어지는 문제를 안고 있다. 또 마모에 따른 신뢰성 문제로 생체 이식형 기기로 적용하기에 어렵다.

조대현-변도영-이승기 교수팀은 이같은 문제점을 해결하기 위해 0.5Hz 미만의 초저주파 영역에서 효과적으로 에너지를 수확할 수 있는 새로운 방식의 나노발전기를 개발했다. 나노발전의 한계로 알려진 0.5Hz 진동 조건에서 세계 최고 수준인 4.8mA/m2의 전류밀도를 달성했으며 불가능했던 초저주파 영역인 0.01Hz 진동 조건에서도 2.3mA/m2의 성능을 나타냈다.

새롭게 제시된 나노발전 메커니즘은 변형에 수반되는 재료 표면 일함수(Work Function) 변화에 있으며 진동에 의해 이종재료 접촉계면의 전기적 평형상태가 주기적으로 변할 수 있도록 나노발전기를 설계함으로써 이 같은 성능을 관찰할 수 있었다. 제시된 나노발전 메커니즘을 이용하면 기존 마찰전기 나노발전기의 문제로 지적되는 마모 현상을 배제할 수 있어 고신뢰성이 요구되는 생체 이식형 기기에 적합한 자가발전 장치 개발이 가능하다. 실제로 100만 사이클 후에도 발전 성능이 저하되지 않고 안정적으로 출력이 유지됐다.

조대현 경상국립대 교수는 "기계적 변형을 이용해 일함수를 조절할 수 있는 재료가 다양하므로 향후 연구 개발 방향은 무궁무진하다"며 "또 유연박막 형태로 제작이 가능하기 때문에 다양한 생체 기관에 적합한 형태로 삽입할 수 있는 설계가 가능하며 따라서 이식형 자가발전 기기로 활용이 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행했다.

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경남CBS 송봉준 기자 bjsong@cbs.co.kr

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