광운대학교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 물리적 소음을 발생시키지 않고도 다양한 인체 움직임에서 저주파의 생체 역학적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 고출력 하이브리드 에너지하베스팅 기술 개발에 성공하였다.
지금까지 휴대용/웨어러블 전자기기와 웨어러블 의료 및 헬스케어 기기는 소형화, 지능화, 다기능화, 유연성에 중점을 두면서 기술 개발이 이루어져왔다. 하지만 이러한 기기에 전원을 공급하는 데 사용되는 배터리는 장기간 지속 가능한 에너지를 공급할 수 없기 때문에 잦은 충전과 교체가 필요하다. 따라서 안전하고 환경친화적이며 지속 가능한 전력을 공급할 수 있는 고출력 에너지 하베스팅 기술 개발 연구가 최근에 많이 수행되고 있다. 마찰전기와 전자기력 에너지 하베스팅 기술을 하이브리드화 하는 것은 인체의 움직임과 주변의 진동과 같은 저주파수의 작은 크기의 물리적 진동에너지를 수확하는데 매우 효과적이다. 따라서 다양한 구조의 전자기력-마찰전기 하이브리드 나노발전기가 연구개발 및 발표되었으나, 소자가 동작시에 발생되는 많은 물리적 소음 때문에 응용 및 실용화에 한계가 있었다.
본 연구팀은 3D 프린팅 기술로 제작한 탄성 수지 스프링과 버 모양의 수성 폴리우레탄(수성PU: WPU)@실록신 나노 복합체를 사용하여 에너지 하베스팅 소자의 물리적 소음을 제거하였고, 인체의 움직임과 같은 저주파수의 다양한 진동에서도 전기를 효율적으로 수확할 수 있도록 하였다. 또한 전자기력 기반 에너지하베스팅 소자와 3개의 마찰전기 나노발전기 소자(한 개의 슬라이딩 모드와 두 개의 접촉 모드)를 하나의 소자로 통합함으로써 소형화와 임의의 저주파 및 광대역 진동에서 고출력의 전기를 생산할 수 있도록 하였다.
WPU@Siloxene은 슬라이딩 모드 작동 중 유연성이 뛰어난 마찰전기 양전하 층 및 물리적 소음 억제 목적으로 사용하였고, 탄성 수지 스프링은 접촉 분리 모드 작동 중 에너지 수확 성능을 크게 향상시키면서 물리적 소음을 억제하기 위해 사용하였다. 이는 탄성 수지 스프링의 우수한 유연성을 이용하여 자석의 상하벽에 가해지는 충격을 효과적으로 완충하면서 소음을 억제하고 자석의 왕복 운동을 보조할 수 있도록 하였기 때문이다. 하이브리드 나노발전기는 6Hz, 1.5g 가속도에서101mW의 고출력, 작동 소음을41dB로 억제, 그리고 50,000회 사이클 이후에도 안정적인 출력 성능을 유지하였다. 또한 연구팀은 스마트 워치, 스마트 밴드, 스마트폰, 웨어러블ECG 모니터링 시스템과 같은 휴대용 및 웨어러블 전자 제품에 반영구적 친환경 전원으로 사용 가능성을 시연을 통하여 입증하였다.
이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820), 산업통상자원부의 산업기술혁신사업 (RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발), 그리고 광운대학교 우수연구자 지원사업으로 수행되었다. 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어(Elsevier) 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 17.6)에 논문이 게재되었다. 본 연구의 1저자인 장세붕 박사는 중국 청도대학교 전자공학과 부교수로 2024년 2월에 임용되었다.