체열로 충전하는 스마트워치나 차량 진동을 이용한 스마트폰 충전, 보행자 압력으로 충전되는 가로등 등 일상에서 버려지는 자투리 에너지를 활용하는 ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’ 기술이 주목받고 있다.
물체가 접촉할 때 생기는 마찰전기를 이용하는 ‘나노발전기’도 사물인터넷‧웨어러블 기기 등 저전력 전자기기에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.
13일 한국연구재단은 조성범 박사(한국세라믹기술원)·방창현 교수(성균관대학교) 연구팀이 머리카락을 닮은 나노구조물을 이용해 마찰전기 에너지 수확 효율을 크게 높일 수 있는 소자를 디자인 했다고 밝혔다.
에너지 하베스팅의 하나로 마찰전기도 큰 주목을 받고 있지만, 두 물체의 접촉을 유도할 수 있는 특정 방향(접촉면의 수직 방향) 움직임에만 반응해 효율을 높이는데 한계가 있었다. 특히 수평 방향이나 회전하는 움직임을 이용하려면 소자 자체의 구조를 바꿔야 해, 가장 효율이 높은 수직 방향 움직임에서 나오는 에너지는 포기할 수밖에 없었다.
연구팀은 모든 방향의 움직임을 수직 방향으로 바꿔주는 머리카락 모양의 나노구조물을 기존 마찰전기 소자 위에 부착하는 방식을 제안했다. 머리카락 모양의 작은 구조물이 기차 선로전환기 같은 역할을 함으로써 모든 방향의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있도록 한 것이다.
이렇게 만든 소자를 옷감에 부착한 결과 0.2Pa(파스칼) 이하 아주 적은 수평 방향 압력에도 반응이 있는 것으로 확인됐다. 심지어 옷깃이 흔들릴 정도의 아주 작은 바람에도 마찰전기를 유도할 정도로 수확 효율이 향상됐다.
연구팀은 나아가 머리카락 모양 구조의 비밀도 알아냈다. 연구팀에 따르면 머리카락 모양의 구조체에 형성되는 반복적인 응력분포의 집중-분산 때문에 수평 방향의 힘이 수직 방향으로 변환될 수 있었다.
연구팀의 기술은 초소형 IoT 기기, 생체삽입형 소자의 전원공급 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공해 이같은 기기의 상용화를 앞당기는데 기여할 전망이다.
이번 연구의 성과는 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 표지논문으로 실렸다.
