디지스트 이성원 요구 연구팀
납성분 없는 생체친화적 소재 이용해
기존 10배 성능 고효율 압전소자 개발
원격 의료 필수 센서 전원용으로 기대
(왼쪽부터)대구경북과학기술원(DGIST,디지스트) 화학물리학과 이성원 교수, 배지훈 석박사통합과정생, 로봇및기계전자공학과 장경인 교수
눈깜빡임과 같은 작은 신체동작으로도 전기를 얻을 수 있는 기술이 개발됐다. 웨어러블반도체 기기나 원격진료에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
대구경북과학연구원(DGIST, 디지스트) 화학물리학과 이성원 교수 연구팀은 생체친화적 물질을 사용하여 소자 두께를 최소화하여 눈 깜빡임 등의 인체의 작은 움직임에서 효율적으로 전기 에너지를 얻는 데에 성공했다고 10일 밝혔다.
원격 의료시스템 도입에 대한 관심이 높아지면서 이에 필요한 센서와 전기공급원의 중요성도 높아지고 있다.
원격의료에 필수적인 센서는 심장박동이나 혈압, 심전도측정부터 혈당까지 전자피부형 센서 등을 통해 실시간으로 측정할 수 있는 수준에 이르고 있다. 하지만 이 같은 장치의 작동에 필요한 전원은 배터리밖에 없는 게 현실이다. 배터리 자체의 크기나 수시로 교체해야 하는 불편이 있다.
이에 따라 관련기업이나 연구자들은 진동이나 압력, 외부충격 등을 전기에너지로 변환해 지속적으로 전원을 공급할 수 있는 압전 에너지에 대해 관심을 돌렸지만, 아직까지 효율이 낮아 실용화에 이르지 못하는 게 현실이다.
또 나름 성능이 좋은 것은 주성분이 납으로 된 것이어서 독성이 문제가 된다. 인체에 적용하려면 독성을 차단할 보호막이 필수이고, 이 때문에 두께가 늘어 효율이 낮아지는 단점이 있다.
이성원 교수팀은 약 4㎛ 두께의 극히 얇은 압전 발전 소자를 제작하는 데 성공했다. 생체진화적 물질을 사용해 독성문제로부터도 해방됐다. 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않으면서 높은 에너지 효율로 전기 에너지를 수확하는 데 성공하였다. 접히거나 곡선의 표면에서도 일정한 성능을 보였고, 1만 번 이상의 변형에도 성능이 유지됐다. 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 전환 효율도 18.85%로 세계 최고수준에 달했다. 이를 이용해 작은 움직임에도 LED램프를 켤 수 있었다.
이성원 교수는 “초박막을 기반으로 한 본 에너지 발전 소자는 동일한 조건의 두꺼운 기판의 소자보다 효율이 10배 정도 높다”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.
이번 연구는 선도연구센터의 지원을 받아 에너지 분야 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 4월 5일자 온라인판에 실렸다.
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