DGIST(총장 국양) 로봇및기계전자공학과 김회준 교수·화학물리학과 홍선기 교수 공동 연구팀은 생체친화적인 페로브스카이트 소재를 활용한 고효율 압전 에너지 하베스팅 기술을 개발했다고 10일(목) 밝혔다.

신체의 움직임과 같은 물리적인 에너지원을 전기 에너지로 전환시키는 압전 에너지 하베스팅 기술은 높은 에너지 효율과 다양한 소재로의 활용이 가능하기에 차세대 에너지원으로 꼽히고 있다. 그러나, 기존 압전 소재들은 대부분 인체에 유해한 납 성분을 포함하고 있다. 그렇기 때문에 압전 에너지 하베스팅 기술은 소형 전자기기의 전력원으로 활용이 되어 왔으나 인체에 활용하기에는 안정성 문제가 있었다.

이러한 기존 기술 및 소재의 한계를 돌파하기 위해 본 연구진은 인체에 적용 가능한 생체적합성 소재 중 우수한 압전성을 지닌 CTO 소재를 합성하고 이의 자세한 전기적, 물리적, 열적 특성을 분석했다. 또한 압전 폴리머인 PVDF 소재와 혼합하여 유연하고 외부의 충격에 강인한 복합소재를 개발하는데 성공했다.

생체친화적 특성을 검증하기 위해 세포 생존율 테스트(cell viability test)를 진행한 결과, 개발한 복합소재는 높은 생존율뿐 아니라 세포 번식력을 보여주어 인체에 적용해도 문제가 없음을 확인했다.

개발한 압전 에너지 발전 소자는 최대 전압 20V, 전류 250nA를 달성해 전자계산기, 손목시계와 같은 소형 전자기기의 전력원으로 활용할 수 있었다. 또, 물체의 진동에서 발생하는 운동에너지를 수확하여 자가발전 진동 센서로의 활용 가능성도 검증해 더욱 폭넓은 범위에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에 적용된 소재는 인체에 적합한 소재인 만큼 신체 부위에 부착하여 걸음걸이, 몸의 움직임 등에서 실시간으로 에너지를 수확할 수 있었다. 특히, 발바닥에 센서를 부착하고 간단한 줄넘기 운동을 실시해 사용자의 운동능력과 줄넘기 자세를 평가하는 자가발전 센서로서 활용 가능성도 시사했다. 효율적인 운동 자세의 진단을 위해 인공 신경 회로망(ANN: artificial neural network) 분석 기법을 활용해 측정한 결과, 99.63%의 높은 성공률로 운동 자세의 옳고 그름을 판별할 수 있었다.

로봇및기계전자공학과 김회준 교수는 “생체친화적 소재에도 우수한 압전 특성이 존재한다는 것을 증명하였으며 이를 통해 기존 재료의 한계를 뛰어넘을 수 있다는 부분에 큰 의미가 있다고 생각한다.”라며 “이번 연구를 발판으로 차세대 친환경 에너지원의 개발에 도전하고, 나아가 외부전력이 필요 없는 자가발전 센서 시스템 연구도 지속할 것이다.”라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 한국연구재단 우수신진연구 및 DGIST 기본사업의 지원으로 이루어졌으며 인도·호주·태국의 연구진이 참여한 글로벌 연구다. 또한, 에너지 분야의 세계적 과학 저널 ‘Nano Energy’ 11월 호에 게재됐다.

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