단단한 세라믹으로 웨어러블 압전소자 제작…효율 280배 올려

DGIST 연구진, 피부나 옷에 부착해 활용 가능

단단한 세라믹으로 전기 에너지를 모을 수 있는 고효율 웨어러블 압전소자가 개발됐다.

DGIST는 로봇및기계전자공학과 장경인 교수팀이 신체의 움직임을 활용해 전기 에너지를 수확할 수 있는 3차원 형태의 신축성 압전 에너지 수확기를 개발했다고 9일 밝혔다.

이 소자는 피부나 옷에 부착해 활용 가능할 전망이다.

연구팀은 이번 기술 개발에 2가지 전략을 구사했다.

우선 압전 효율이 높은 PZT(납과 지르코늄, 티타늄이 견합한 세라믹 화합물) 소재를 3D 버클링 구조로 제작, 소자에 신축성을 부여했다.

DGIST가 개발한 양방향으로 정렬된 소자 어레이. 기존 압전소자 대비 에너지 효율을 280배 향상시켰다.

3D 버클링 구조로 제작된 에너지 수확 소자는 단단한 물성에도 불구하고 구조 특유의 구불구불한 형태로 인해 늘어난다.

이때 3D 버클링 구조에는 곡률이 음(-)인 영역과 양(+)인 영역이 생기는데, 각 영역에는 서로 반대 방향의 전압이 유도되기 때문에 각 영역이 전기적으로 독립되어 있지 않으면 수확된 전기적 에너지가 상쇄돼 사라지는 현상이 발생한다.

연구팀은 이러한 에너지 상쇄를 방지하기 위해, 두 번째 전략인 '전극을 곡률 특이적으로 결합하는 방식'을 활용했다.

곡률의 방향에 맞게 독립적으로 설계된 전극 구조는 각 영역에서 발생한 반대 방향의 전압(전기적 에너지)을 따로 저장해 에너지 상쇄를 방지한다.

연구팀은 "첫 번째 전략인 구조 역학적 설계를 통해 소자에 신축성을 부여했다"며 "또 두 번째 전략인 '곡률 특이적 전극 결합 설계'로 수확된 에너지가 손실되는 것을 최대한 방지했다"고 설명했다.

(주)엔사이드 대표도 맡고 있는 DGIST 장경인 로봇 및 기계전자공학과 교수는 "기존보다 에너지 효율이 280배 이상 높은 초고효율의 늘어나는 에너지 수확기를 개발했다"며 "웨어러블 또는 임플란터블 형태의 소자로 활용 가능하다"고 부연설명했다.

논문 제1저자는 로봇및기계전자공학과 예준우 박사과정생과 하정대 석박사통합과정생이다. 연구는 한국연구재단 STEAM연구 사업, 미래선도형특성화연구 사업과 네이버 디지털바이오연구 사업 지원을 받았다.

연구결과는 나노 분야 국제학술지(ACS NANO) 표지논문(12월)에 선정됐다.

DGIST 압전소자 연구팀. 왼쪽부터 로봇및기계전자공학과 장경인 교수와 논문 제1저자인 예준우 박사과정생, 하정대 석박사통합과정생.

DGIST가 개발한 압전소자 기술이 'ACS NANO' 표지논문에 선정됐다.