경상국립대 조대현 교수.(사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교는 IT공과대학 메카트로닉스공학부 조대현 교수팀이 성균관대 변도영 교수, 부산대 이승기 교수 연구팀과 공동연구를 통해 초저주파 진동에너지를 효과적으로 수확할 수 있는 나노발전 메커니즘을 발견했다고 밝혔다.

생체 이식형 기기(Implantable Device)는 교체하기 어렵기 때문에 장시간 동안 고신뢰성으로 구동해야 한다. 따라서 수명이 한정된 에너지 저장장치를 이용하기보다 생체에서 발생하는 진동에너지를 이용한 자가발전(Self-Powering) 방식이 미래 기술로 각광받고 있다.

생체에서 발생하는 진동에너지가 대부분이 1Hz 미만의 저주파 에너지임을 고려한다면 이를 효과적으로 수확할 수 있는 기술이 반드시 필요하다. 현재 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator)가 저주파 진동에너지를 수확하는 방식 중 가장 효과적인 것으로 알려져 있으나 여전히 0.1Hz 이하의 초저주파에서 효율이 급격히 떨어지는 문제를 안고 있다. 또한 마모에 따른 신뢰성 문제로 생체 이식형 기기로 적용하기에 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위해 조대현-변도영-이승기 교수팀은 0.5Hz 미만의 초저주파 영역에서 효과적으로 에너지를 수확할 수 있는 새로운 방식의 나노발전기를 개발했다. 나노발전의 한계로 알려진 0.5Hz 진동 조건에서 세계 최고 수준인 4.8mA/m2의 전류밀도를 달성했으며 불가능했던 초저주파 영역인 0.01Hz 진동 조건에서도 2.3mA/m2의 성능을 나타냈다.

새롭게 제시된 나노발전 메커니즘은 변형에 수반되는 재료 표면 일함수(Work Function) 변화에 있으며, 진동에 의해 이종재료 접촉계면의 전기적 평형상태가 주기적으로 변할 수 있도록 나노발전기를 설계함으로써 이 같은 성능을 관찰할 수 있었다.

제시된 나노발전 메커니즘을 이용하면 기존 마찰전기 나노발전기의 문제로 지적되는 마모 현상을 배제할 수 있어 고신뢰성이 요구되는 생체 이식형 기기에 적합한 자가발전 장치 개발이 가능하다. 실제로 100만 사이클 후에도 발전 성능이 저하되지 않고 안정적으로 출력이 유지됐다.

조대현 교수는 "기계적 변형을 이용해 일함수를 조절할 수 있는 재료가 다양하므로 향후 연구 개발 방향은 무궁무진하다"며 "또한 유연박막 형태로 제작이 가능하기 때문에 다양한 생체 기관에 적합한 형태로 삽입할 수 있는 설계가 가능하며 따라서 이식형 자가발전 기기로 활용이 기대된다"고 밝혔다.

연구 결과는 에너지·환경·화학공학 분야 세계적 권위의 학술지 '에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy & Environmental Science)'(Impact Factor: 32.4)에 8월 23일 자로 온라인 게재됐다. '에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스'는 임팩트 팩터의 기준으로 저널인용보고서(JCR) 화학공학 분야 170개 학술지 중 랭킹 1위이다.

논문 제목은 ‘변형에 의한 대전과 이를 이용한 유연 나노발전기 개발 및 초저주파 진동에너지(0.5-0.01Hz) 수확(Strain-induced electrification-based flexible nanogenerator for efficient harvesting from ultralow-frequency vibration energy at 0.5-0.01Hz)’이다.

이번 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행했다.