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스마트 센서 작동시킬 에너지는 어디서?
소규모 센서에 에너지 공급 문제도 해결해야 한다. 이 부분은 신소재공학부 백정민 교수가 풀고 있다. “눌러서 기계적인 압력을 주면 전압이 생기는 ‘압전효과’를 이용해 전기 생산 방법을 연구해왔어요. 다만 압전 소재는 가해지는 압력 때문에 변형(strain)이 생겨, 이로 인해 부서지기 쉽다는 단점이 있었지요.” 압전 소재의 한계에 부딪친 백정민 교수는 ‘정
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이 내용은 유니스트 뉴스에서 발췌하였습니다.
소규모 센서에 에너지 공급 문제도 해결해야 한다. 이 부분은 신소재공학부 백정민 교수가 풀고 있다.
“눌러서 기계적인 압력을 주면 전압이 생기는 ‘압전효과’를 이용해 전기 생산 방법을 연구해왔어요. 다만 압전 소재는 가해지는 압력 때문에 변형(strain)이 생겨, 이로 인해 부서지기 쉽다는 단점이 있었지요.”
압전 소재의 한계에 부딪친 백정민 교수는 ‘정전기’를 이용한 소재 연구에 돌입했다. 물체를 이루는 원자 주변에는 전자가 돌고 있는데, 원자핵에서 멀리 떨어진 전자들은 마찰을 통해 다른 물체로 쉽게 이동하기도 한다. 이때 전자를 잃은 쪽은 (+) 전하가, 전자를 얻은 쪽은 (-) 전하가 돼 전위차가 생긴다.
우리 몸이 주변 물체와 접촉하면 마찰이 생기면서 몸과 물체가 전자를 주고받는다. 이때 전기가 조금씩 저장되고, 한도 이상 전기가 쌓였을 때 적절한 유도체에 닿으면 그동안 쌓였던 전기가 순식간에 불꽃을 튀기며 이동하게 된다. 이것이 바로 정전기다.
“정전기에는 두 가지 물질이 필요해요. 한쪽은 전자를 잘 제공해주는 물질(양전하 대전체), 다른 한쪽은 그 전자를 잘 받는 물질(음전하 대전체)이어야 하죠. 정전 효과와 정전기 유도 현상으로 외부 서킷(전기회로)에 흐르는 전류로 센서를 구동시킬 수 있습니다.”
정전기 기반 기술은 두 물체의 접촉에 의해 일어나는 덕분에 부서지는 현상도 해결할 수 있다. 보통 양전하 대전체에는 알루미늄이, 음전하 대전체에는 테플론이나 폴리이미드 등 전기친화도가 큰 물질이 쓰인다.
백 교수는 “정전기 기반 기술은 향후 소재 분야에서 개발될 게 많다”며 “미래에는 센서를 만드는 소재로 금속산화물 및 탄소 소재가 각광받을 것”이라 전망했다.
누르면 전기 나오는 ‘스펀지 나노발전기’ 나왔다
백정민 신소재공학부 교수팀, 금속 입자가 들어가 있는 실리콘 스펀지 구조 개발
기존 대비 출력 10배 이상 증가… 세계적 저널 EES에 논문 게재
백정민 UNIST 신소재공학부 교수팀은 실리콘 물질을 눌러서 전기를 얻는 새로운 나노발전기를 개발했다. 스펀지처럼 많은 구멍이 뚫린 구조에 금속 입자를 집어넣어 정전기를 발생시키고 여기서 전기를 얻는 방식이다.
나노발전기는 나노 크기(10억분의 1m)의 물질을 활용해 전기에너지를 생산하는 기술이다. 물질에 미세한 압력을 가하면 전기가 발생하는 ‘압전 효과’나, 물질이 마찰될 때 생기는 ‘정전기’를 이용해 전기를 얻는 것이다. 이번에 백 교수팀이 개발한 방식은 정전기 기반의 나노발전기다.
일반적으로 정전기 방식의 나노발전기는 압전 효과를 활용하는 것보다 더 많은 에너지를 얻을 수 있다. 또 압전 소재를 만들 때처럼 고온 열처리 등의 과정이 필요 없어 제작 단가를 낮출 수 있다. 특히 이번에 개발된 나노발전기는 정전기 발생에 필요한 공간 문제까지 해결해 활용도를 높였다.
왼쪽부터 새로 개발한 ‘스펀지 나노발전기’와 기존 ‘박막형 나노발전기’의 모습. 기존 나노발전기는 두 개의 박막이 일정한 간격으로 떨어져 있지만 새로 만든 스펀지 나노발전기는 공기층이 따로 필요 없다. | 사진: 김경채
물질을 마찰시켜 정전기를 얻으려면 공기가 들어갈 일정한 공간이 필요하다. 따라서 기존에는 금속 박막과 유전체 박막을 일정한 간격으로 떨어뜨려야 했다. 백 교수팀은 이런 문제를 해결하기 위해 유전체 박막을 스펀지 구조로 만들고 금속 입자를 스펀지 구멍 속에 넣어 이를 한쪽 방향으로 배열함으로서 구멍 내에서 자연스럽게 정전기를 일으키도록 만들었다.
백정민 교수는 “공기층을 따로 만들어야 했던 기존 정전기 기반 나노발전기의 문제를 해결해 여러 곳에 활용할 수 있다”며 “기존에 박막을 활용하던 나노발전기보다 출력 전력도 10배 이상 크게 증가했다”고 설명했다.
그는 또 “공기층이 필요 없어 넓은 면적으로 만들기 쉬운데다 유연하고 내구성이 높아 안정적으로 높은 전력을 생산할 수 있다”며 “다양한 환경이나 상황에서 활용할 수 있다”고 덧붙였다.
연구팀은 새로운 나노발전기를 이용해 어떤 위치에 얼마만큼의 충격이 오는지 확인하는 ‘압력 분포 측정 센서’와 밟으면 전기가 나오는 ‘대면적 매트’, ‘자가 전기 충전기’ 등을 만들었다. 이렇게 응용한 장치들은 높은 습도 등 극한 환경에서도 안정적으로 작동했다.
백정민 교수(오른쪽)가 천진성 연구원(왼쪽)과 이번 연구에 대한 의견을 나누고 있다. | 사진: 김경채
백 교수는 “새롭게 개발한 스펀지 나노발전기는 누르거나 밟음으로서 생기는 압력뿐 만 아니라 바람이나 파도의 힘을 이용해서도 전기를 생산할 수 있다”며 “현재까지 보고된 세라믹 기반의 나노발전기 중 가장 높은 향상을 보여 정전기 기반의 나노발전기의 상용화를 앞당길 것”이라고 기대했다.
이번 연구 결과는 재료 분야의 세계적인 저널 ‘에너지와 환경과학(Energy& Environmental Science)’ 저널에 11일자 온라인판 게재됐다. 에너지와 환경과학 저널은 ‘네이처’와 ‘사이언스’ 등의 자매지 외에 최초로 임팩트 팩터(Impact factor, 피인용 지수)가 20을 넘어 학계의 주목을 크게 받고 있는 저널이다.
이번 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다.