진동·굽힘 기계적 변형으로부터 전기 생성
간단한 잉크젯 프린팅 기술을 이용해 외부 진동 및 굽힘과 같은 기계적 변형으로부터 전기를 생성할 수 있는 플렉서블 압전발전소자가 세계 최초로 개발됐다.
경남과학기술대학교 에너지공학과 박귀일 교수 연구팀은 고효율 압전나노소재를 유연한 플라스틱 기판에 직접 코팅할 수 있는 기술을 개발하고 이를 이용해 휘어질 때마다 전기를 스스로 생산하는 에너지 생성소자인 플렉서블 압전발전소자를 개발해 에너지 분야 세계적 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy) (2016 JCR impact factor : 12.343)’ 11월호에 게재했다고 밝혔다.
(논문명 : All-inkjet-printed flexible piezoelectric generator made of solvent evaporation assisted BaTiO3 hybrid material)
플렉서블 압전발전소자는 외부 압력 및 굽힘 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기를 생성하는 압전효과를 이용한 에너지 생성 소자로써 아무런 제한 없이 언제 어디서나 공급될 수 있는 기계적 힘을 이용해 에너지를 생성한다는 것이 다른 신재생 에너지 소자들과의 차별성이자 장점이다.
또한 얇은 플라스틱 기판을 이용해 제작된 플렉서블 압전발전소자는 인체에 부착이 가능하며 사람이 활동할 때 발생되는 신체 움직임들과 심장박동, 눈 깜빡임, 들숨·날숨 등과 같은 미세한 움직임들도 전기에너지로 변환할 만큼 민감도가 높기 때문에, 언제 어디서나 전력원으로 사용할 수 있는 웨어러블 자가발전 에너지 생성소자로 알려져 있다.
기존에 보고된 플렉서블 압전발전소자 제작기술은 다양한 소재와 소자구조를 통해 발전효율을 증가시키고 있지만, 고온 열처리 후 플라스틱 기판으로 전사해야 하는 복잡하고 시간 소모가 큰 공정이 요구되고 대면적으로 제작이 어렵다는 한계, 고가의 소자제작 공정비용으로 인해 상용화 기술로써는 부적합하다는 지적을 받아왔다.
세라믹 압전소재는 압전효과를 나타내기 위해 최소 600°C 이상에서 열처리가 필요하므로 플렉서블 압전발전소자 제작을 위해서는 고온공정 및 전사공정이 필요하다.
연구팀은 고온공정 및 전사공정 없이 잉크젯 프린팅 공정만으로 얇은 플라스틱 기판 상에서 고효율 하이브리드 압전후막은 물론 상·하부 전극막을 구현함으로써, 구부러질 때마다 약 7V의 전압과 3μA의 전류를 생성하는 플렉서블 압전발전소자를 개발한 것이다.
하이브리드 후막소재 분야의 전문가이자 이번연구의 공동 교신저자인 성균관대학교 김종희 박사는 “세라믹 고유 특성을 유지하면서 높은 유연성과 가공성 등 유기 소재의 장점을 부여한 새로운 잉크젯 프린팅 소재다”라고 말했다.
박귀일 교수는 “잉크젯 프린팅 기술은 유기-무기 압전소재 뿐만 아니라 전극소재도 코팅이 가능하다. 이처럼 단일 공정을 통해 대면적 플렉서블 압전발전소자를 개발한 것은 세계 최초이며, 기존에 보고된 제작기술들의 기술적 한계를 극복한 기술이다”라고 말했다.
아울러 “잉크젯 프린팅 기술은 원하는 형태로 특정 영역에 코팅이 가능하므로 플렉서블 압전발전소자 분야뿐만 아니라 플렉서블 반도체, 배터리 및 센서 등의 분야로 적용이 가능한 기술이다”라고 덧붙였다.
현재는 발전 성능 향상을 위한 압전소재 연구뿐만 아니라 삼차원 적층 등의 소자 연구가 진행되고 있으며, 에너지 발전소자 외에 압전효과를 이용한 응용연구도 함께 진행되고 있다.
이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐다. 윤다정기자
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