옷에 붙여 에너지 수확하는 고효율 세라믹 소자

3차원 버클링 형태의 신축성 압전 에너지 수확기 소자. DGIST 제공

국내 연구팀이 피부나 옷에 부착해 에너지를 수확할 수 있는 고효율 소자를 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 장경인 로봇및기계전자공학과 교수팀이 3차원 형태의 신축성 압전 에너지 수확기를 개발하고 연구결과를 5일(현지시간) 국제학술지 'ACS 나노'에 공개했다고 9일 밝혔다.

에너지 수확기는 물체나 피부·장기 등 신체 움직임에서 전기에너지를 지속적으로 만들 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 물체의 마찰로 발생하는 전하의 이동으로 전기를 얻는 마찰전기 방식과 기계적 변형을 가하면 전기적 에너지 차이가 나타나는 압전 효과 방식으로 나뉜다.

압전 효과 기반의 에너지 수확기는 피부의 탄력적인 움직임이나 관절의 운동 등 신체 활동에서 전기를 생산할 수 있다. 기존 압전 에너지 수확기는 대부분 유기물 등의 물질을 사용해 수확 효율이 낮았다. 몸을 움직여도 충분한 전기를 수확할 수 없어 웨어러블 소자로 활용하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)이 결합한 단단한 세라믹 화합물인 'PZT(Lead Zirconate Titanate)'에 주목했다. PZT는 압전 효율이 높지만 부서지기 쉬워 신축성 소자로 활용하기 어려웠다. 연구팀은 PZT를 완만한 곡선으로 구부러지는 '3차원 버클링' 구조로 설계해 에너지 효율과 신축성을 동시에 확보했다.

또 소재가 휘어지는 방향이 서로 반대인 영역에서 전기적 에너지가 상쇄된다는 문제를 막기 위해 휘어지는 방향에 따라 구간을 나누어 전극을 독립적으로 배치했다.

연구팀이 개발한 소자는 기존 신축성 압전 수확기 대비 280배 이상 높은 에너지 효율을 달성했다. 연구팀은 "구조나 공정 프로세스의 최적화가 더 필요하며 이를 통해 더 높은 에너지 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대한다"며 "최적화 작업은 3~4년 내 가능할 것으로 예상한다"고 설명했다.

장 교수는 "효율이 높은 신축성 압전 에너지 수확기 기술을 개발했다"며 "웨어러블 에너지 수확기 상용화와 실질적 활용으로 이어지길 기대한다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1021/acsnano.4c09933

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]