DGIST 이성원, 장경인 교수팀, 일상생활에서 작은 인체의 움직임을 이용한 고효율 전기 발전장치 개발 성공

 연속적인 에너지 축적을 이용하여 배터리 없이 장시간 생체 신호 모니터링이 가능한 건강 진단 시스템 실현에 한걸음

[(왼쪽에서 오른쪽 방향) DGIST 화학물리학과 이성원 교수, 배지훈 석박사통합과정생, 로봇및기계전자공학과 장경인 교수]

DGIST(총장 국양) 화학물리학과 이성원 교수 연구팀은 생체친화적 물질을 사용하여 소자 두께를 최소화하여 눈 깜빡임 등의 인체의 작은 움직임에서 효율적으로 전기 에너지를 얻는 데에 성공했다. 개발된 에너지 발전 소자는 원격 의료 진단 기기의 에너지원으로의 적용이 기대된다.

원격 의료 시스템의 필요성이 증가하면서, 전자피부형 센서에 장시간 지속적으로 에너지를 공급할 새로운 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 진동과 압력, 외부충격 등을 가하여 전기에너지로 변환하는 원리의 발전 방식인 압전 에너지 발전은 친환경 에너지인 물리적 움직임에서 전기를 얻을 수 있다는 장점이 있어 주목받고 있다. 그러나 현재 제작되고 있는 압전 에너지 발전 소자는 성능의 극대화를 위해 몸에 유해한 물질인 PZT 등을 사용하고 있기에 실제 인체에 적용하기 위해서는 보호막을 이용해야 하므로 소자의 총 두께가 증가하게 된다. 소자가 두꺼우면 작은 인체의 움직임에 의해 변형되기 어려우며, 피부에서 분리되는 등 효율적인 에너지 수확이 불가능하다.

이에 DGIST 이성원 교수팀은 약 4 마이크로미터의 초박막 형태로 압전 발전 소자를 제작, 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않으면서 높은 에너지 효율로 전기 에너지를 수확하는 데 성공하였다. 특히 개발한 에너지 발전소자는 접히거나 곡선의 표면에서도 일정한 성능을 보이며, 약 10,000번 이상의 변형에도 성능 저하 없이 에너지를 얻을 수 있어 안정적인 전력원이 될 수 있는 가능성을 보여줬다.

생체친화적 압전 고분자 물질인 PVDF-TrFE를 사용한 이번 에너지 발전 소자는 입력 에너지인 기계적 에너지를 출력 에너지인 전기 에너지로 변환하는 에너지 전환 효율 (Energy conversion efficiency)가 18.85%로 세계 최고 수준으로 높으며, 이를 통해 작은 움직임에서 LED 램프를 성공적으로 켤 수 있었다.

DGIST 화학물리학과 이성원 교수는 “초박막을 기반으로 한 본 에너지 발전 소자는 동일한 조건의 두꺼운 기판의 소자보다 효율이 10배 정도 증가하였다”며 “초고효율의 발전소자로 인체의 작은 움직임에서 발생되는 에너지로 장시간 생체 신호를 측정하는 센서에 전원을 공급할 수 있는 신개념 에너지 소자로 무겁고 단단한 배터리를 대체할 가능성을 보여주는 잠재력이 매우 큰 연구다.”고 말했다.

한편, 이번 연구는 선도연구센터의 지원을 받아 에너지 분야 저명한 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 4월 5일(화) 온라인 게재됐다.

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연구결과개요

Multi-deformable piezoelectric energy nano-generator with high conversion efficiency for subtle body movements

Jihoon Bae, Jinkyu Song, Wooseong Jeong, Koteeswara Reddy Nandanapalli, Nayoung Son, Nora Asyikin Binti Zulkifli, Gihyeok Gwon, Mijin Kim, Seungsun Yoo, Hyeokjun Lee, Hyeokjoo Choi, Seonmin Lee, Hunanyu Cheng, Cheolgi Kim, Kyung In Jang, Sungwon Lee

(Nano Energy, on-line published on 04.05, 2022)

원격 의료 진단용으로 사용되는 웨어러블 디바이스는 기기의 용도에 최적화할 수 있도록 장시간 동안 문제없이 에너지를 공급할 수 있는 에너지 공급원이 필요하다. 압전 발전 소자는 인간의 움직임을 이용하여 전기 에너지를 만들어낼 수 있어 미래의 에너지원 중 하나로 주목받고 있다. 이러한 웨어러블 에너지 발전 소자는 미세한 인체 또는 피부 움직임에도 쉽게 변형이 되어야 하며, 이는 일상적인 움직임에도 지속적으로 전기를 발전할 수 있게끔 한다. 그러나, 현재 연구가 진행되었던 압전 발전 소자들은 작은 움직임에 효율적으로 반응 및 변형을 하기가 어려우며, 결국 피부에 부착된 상태일 때에는 그렇지 않을 때보다ㅣ 에너지 전환 효율이 급격하게 하락하는 문제점이 발생한다.

본 연구에서는 인체에 친화적인 압전 고분자 물질인 Poly(vinlyidene fluoride-trifluoroethylene) (PVDF-TrFE)를 사용하여 유연한 초박막 압전 발전 소자를 제작하였다. 소자의 두께가 약 4 마이크로미터로, 피부의 주름이 반영된 인체의 표면에 완벽하게 부착될 수 있는 제작된 압전 발전 소자는 호흡이나 눈 깜빡임과 같은 인체의 작은 움직임을 효과적으로 감지해내어 에너지를 만든다. 본 소자는 최대 18.85 %의 에너지 전환 효율을 지니며, 이는 두께를 두껍게 한 동일한 방법의 소자와 비교하였을 때 약 10배의 효율 증가를 나타낸다. 이러한 고효율, 피부의 부착성으로 인해 본 소자는 인체 웨어러블 디바이스 중 에너지 공급원으로서의 잠재력을 크게 지니고 있다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

인체에 부착되는 압전 소자를 위해서는 납 등 인체에 유해한 물질이 들어있는 물질을 사용하기 어렵다. 이에 따라 압전 물질을 변경하기 보다는 변형을 주었을 때 소자가 그 힘에 적응하는 방법을 달리함으로써 효율적으로 움직임을 감지하면서 에너지를 수확할 수 있게 하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

인체에서 움직임이 발생하는 어느 곳이든 부착하여 에너지를 얻을 수 있다. 작은 움직임을 대상으로 하고 있기 때문에 발전되는 에너지량도 낮아 생성된 에너지를 모아야 전력원으로 사용할 수 있다. 또한 부착된 인체 부위 및 움직임마다 발전되는 패턴이 달라 모션센서로도 활용할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

초박막 압전 발전 소자는 기존의 압전 하베스터에 비해 전력량이 현저히 적고, 실용도를 평가하는 기준인 최적 부하 저항 (Optimal load resistance)가 매우 크다는 문제점이 실용화의 걸림돌이 되고 있다. 본 연구를 통해 초박막 구조를 통한 에너지 효율적 생산의 가능성을 보았으므로, 물질별 두께 최적화와 다양한 물질 고려 등 심도 있는 분석과 연구를 통해 개선한다면 웨어러블 디바이스의 전력원이 될 수 있을 것이라 생각한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구실에서는 피부에 부착하여 기능할 수 있는 여러 센서 및 소자들을 연구 및 제작하고 있다. 이러한 제작된 소자들을 직접 구동할 수 있으면서 전력원 또한 유연할 수도 있겠다고 생각하여 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

압전 에너지 하베스팅 기술은 최근 출력 전력량을 최대화하는 것에 집중되어왔다. 그러다 보니 인체에 유해한 물질을 사용하게 되어 연구실의 취지에는 어긋나는 유연하지 않은 전력원들이 많이 연구되었다. 아직은 가능성이지만, 장시간 동안 지속적으로 생체신호를 측정해야하는 원격의료 진단 기기의 한 부분으로서 의료 체계에 기여할 수 있을 것이라 기대한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

연구진은 하나의 통합된 원격 의료 기기 시스템을 제작하고자 한다. 에너지 하베스터를 통해 얻은 에너지를 저장하는 에너지 저장장치, 그리고 축전된 에너지를 사용하여 생체 신호를 측정 및 데이터를 전달하는 센서 등을 유연하고 웨어러블하게 만들어 외부전력 없이 건강을 진단할 수 있는 플랫폼을 만들 계획이다.

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그림설명

[그림 1] 초박막 압전 에너지 발전 소자의 발전 메커니즘

초박막 압전 에너지 발전 소자는 매우 얇은 두께로 높은 유연성을 보인다. 기존 압전 소자는 피부의 움직임에 반복적으로 노출될 시 부착된 지점에서 분리되는 문제점을 보이나, 본 소자는 conformal contact을 통해 피부의 움직임에 multi-deformable 구조를 형성하여 착용자에게 불편함을 최소화하면서 전기 에너지를 만들 수 있다는 특징이 있다.

[그림 2] 초박막 압전 에너지 발전 소자의 응용

본 소자는 눈 깜빡임으로부터 매우 효율적으로 에너지를 얻을 수 있다. 소자는 눈을 깜빡일 때 발생하는 눈 근처 피부의 주름에 의해 변형되어 전기를 생산하며, 그 정도는 약 140 mV, 9.3 nA이다. 초박막 압전 에너지 발전 소자를 이용하여 축전기에 전기를 모을 수 있으며, 이를 통해 LED를 켜는 것이 가능하다.