조용수 교수팀, 자가 동력용 고성능 에너지 하베스터 개발

소재 최적화 및 다층 디바이스 설계 기술로 세계 최고 성능 구현

독립된 에너지원을 요구하는 센서, 자가발전 소자에 전력 공급

[그림. 힘을 전기로 바꾸는 압전 에너지 하베스터, 구현된 소자/성능, 게재된 저널 전면 표지]

공과대학 신소재공학과 조용수 교수 연구팀은 다양한 무선 센서, 자가발전 소자 등에 전원을 독립적으로 제공할 수 있는 최고 성능의 전력 발생 소자(power generator)를 개발했다.

이번에 개발된 기술은 가해준 힘에 의해 생성된 기계적 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 원리인 압전성(piezoelectricity)을 이용한 기술로, 최고의 압전성을 가지는 Pb(Zr,Ti)O3 세라믹 소재를 기반으로 최적의 이종 화합물을 형성하고 다양한 결합을 통해 에너지 도출을 최적화하는 데 성공했다. 최대 4개의 층을 적용해 전력 공급이나 충전 시 필요로 하는 세계 최고 성능의 높은 전류 밀도를 구현했다.

독립적으로 에너지를 수확하는 압전 에너지 하베스팅 기술은 태양광을 이용하는 태양 전지(solar cell), 마찰을 이용하는 마찰전기(triboelectric) 에너지 하베스터, 온도 차를 이용하는 열전(thermoelectric) 에너지 하베스터 등 재생 에너지 기술의 하나로서 널리 연구돼 온 분야이다. 각종 스트레스나 압력을 가해 주면 특정한 소재가 분극 현상에 의해 두 전극 사이에서 퍼텐셜 차이를 가져와 전기 에너지가 순간적으로 발생하게 된다. 반도체가 아닌 특정한 절연체 내부의 반응을 통해 에너지를 얻는다는 점에서 흥미로운 분야로 인식되고 있다.

연구팀은 특히 기존의 높은 공명 주파수에서 특정되는 에너지 하베스팅 기술의 한계를 넘어 낮은 영역의 비공명 주파수에서 작동할 수 있는 고성능 하베스터를 구현함으로써 최근 각광받고 있는 무선 센서 네트워크, 자가 구동 소자 등의 적용에 특화될 수 있음을 밝혀 냈다. 

연구팀은 “최적의 소재들을 결합해 지금까지 시도되지 않았던 디바이스 구조에 적용, 에너지 효율 성능 면에서 기존의 한계를 넘어선 것으로 수십 년간 이어진 관련 연구 분야에서 매우 주목할 만한 성과에 해당한다.”면서 “실제 소형 전자 부품 및 센서 등을 구동하는 독립적인 에너지원으로서 유용하게 활용될 수 있다.”고 연구 성과를 밝혔다.

이번 연구에는 신소재공학과 김병곤, 박관식 연구원이 공동 제1저자, 기성훈 연구원이 참여저자, 조용수 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 와일리(Wiley) 출판사에서 발간하는 에너지 소재 분야 국제 최고 권위지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 27.9)’에 10월 6일 자 앞표지 논문으로 선정, 게재됐다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

논문정보

● 논문제목: Perovskite Relaxor-Dependent Contributions to Piezoelectric Power Generation of Multiple PZT Tape-Based Cantilever Structures at Nonresonant Frequency

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/aenm.202301796