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버려지는 에너지를 모아
인류의 미래를 새롭게 책임진다

우리 주변에 버려지는 에너지를 사용할 수 있는 에너지로 변환시켜 주는 에너지 하베스팅 기술은 기존의 신재생에너지 기술과 다르게 시공간에 대한 제약을 받지 않기 때문에 자가구동 형태의 환경 모니터링, 신체바이오센서, 모바일 전자기기의 전력원 등 다양한 분야로의 기술 적용이 가능하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 유연하거나 늘어나는 에너지 하베스터는 혈류, 심장박동, 관절, 근육의 수축 및 이완 등 신체의 움직임으로 발생하는 기계적 에너지를 이용하여 인체삽입형 전자소자의 전원공급에 유용하게 적용이 가능하다.

최근 전자․정보기술 및 소재의 발전으로 다양한 기능이 집적화된 형태의 모바일 전자기기가 일생생활에 마주하고 있으며, 또한 IoT(Internet Of Things) 네트워크에서의 유저 간 소통 및 정보공유를 위한 마이크로/나노 시스템 및 디바이스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 시스템 구동을 위해서는 배터리와 같은 전원 공급 장치가 필요한데, 이에 따른 시스템의 부피 증가, 교체 및 충전 문제들과 같은 기술적 한계가 있다. 차세대 에너지 발전 기술 중 하나인 에너지 하베스팅 기술은 우리 주변에서 흔하게 발생하는 다양한 기계적 에너지(미세진동, 음파, 바람, 파력 등) 및 정전기에너지를 이용한 신재생 에너지 수합 기술 연구로서 전자기기의 자가구동을 위해 최근 활발하게 연구가 진행되고 있는 추세이다. 이에 최근 다양한 형태의 에너지 하베스팅 기술의 연구동향과 기술에 대해 소개하고 기술의 발전에 대한 기대효과에 대해 이야기 하고자 한다.

에너지 하베스팅 최근 연구동향

2006년 미국 조지아공대의 Z. L. Wang 교수 연구그룹에서 ZnO 단일 나노와이어의 압전 특성 및 메커니즘을 최초로 규명하였다[1]. 이후 ZnO, CdS, ZnS, GaN 그리고 ZnSnO3와 같은 압전 반도체와 PVDF, PZT, BaTiO3와 같은 압전 절연체를 이용한 여러 가지 압전 에너지 하베스팅 소자에 대한 연구가 진행되어 왔다. 최근, ZnO 기반의 에너지 하베스터의 낮은 압전 출력과 기계적 강도에 대한 한계점을 극복하기 위하여 플라즈마 처리, 그리고 p-형 폴리머를 이용한 고출력 압전 에너지 하베스터에 대한 연구가 지속되고 있으며, 강한 기계적 에너지도 하베스팅할 수 있는 높은 기계적 내구성을 띄는 폴리머 내 압전물질을 복합체 형태로 만들어 뛰어난 내구성에 초점을 둔 연구도 진행되고 있다. 또한, 초전 및 광전에너지등을 동시에 하베스팅할 수 있는 융․복합 소자에 대한 연구도 보고되고 있다.

이러한 압전물질 기반 에너지 하베스팅 뿐만 아니라 다양한 자연적 현상을 이용해 에너지를 하베스팅하는 신 개념 에너지 하베스팅 기술이 연구되고 있다. 그 중에 최근 연구가 시작된 분야로 정전기 현상을 이용한 정전 에너지 하베스팅이 있다. 이는 주위 환경에서 흔하게 발생하는 현상으로만 여겨졌지만, 이러한 정전기를 이용하여 일상생활에서 사용되는 전자기기 혹은 다양한 센서구동에 필요한 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 새로운 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 정전기는 서로 다른 물질 사이에서 흔하게 발생할 수 있는 현상이므로 물질의 종류, 그리고 소자의 구조에 따른 에너지 하베스터의 효율 및 특성에 대한 연구가 진행되고 있다.

압전 현상 기반 에너지 하베스터
▪ P-형 폴리머을 이용한 고출력 압전 에너지 하베스터
ZnO 기반 압전 에너지 하베스터의 경우, 재료내부에 존재하고 있는 n-형 주개성질(donor)을 띄는 산소원자 결함이 압전출력을 저해시키는 주된 원인으로 보고되고 있다. 따라서 p-형 폴리머인 Poly 3-hexylthiophene(P3HT)를 표면에 접합시켜 산소원자 결함의 확산을 유도하여 표면에 존재하는 결함들의 전자-정공 쌍의 형성을 유도함으로서, p-n접합에 따른 에너지밴드갭 모듈레이션 효과를 통해 외부에서 동일한 기계적 힘이 가해졌을 때 기존의 압전소자의 출력값(0.08 V, 1.93 )과 대비하여 약 10배 증가한 출력값(0.5 V, 3.03 )을 보이는 기술을 개발하였고, 부가적으로 Phenyl-C61-butyric acid methylester(PCBM) 폴리머를 이용해 ZnO와 P3HT:PCBM 하이브리드형 소자를 만들어 캐리어 수송을 더욱 개선시키고 1.45 V의 전압을 발생시켜 기존소자대비 출력을 18배 증가시켰다. 외부의 전력공급 없이 압전 에너지 하베스터만을 이용하여 적색, 녹색, 청색(RGB) LED를 구동시킴으로써 자가 구동 디스플레이 소자의 실용화 가능성을 확인하였다.

▪ 높은 기계적 내구성을 띄는 압전 에너지 하베스터
최근에 유기물과 나노크기의 압전물질(ZnO, BaTiO3, KNbO3등)을 섞어, 압전물질이 균일하게 분포된 에너지 하베스터는 공정의 단순함, 그리고 높은 기계적 안정성 때문에 대면적 압전 에너지 하베스터로서 주목을 받고 있다. 정육면체형태를 띄고 단결정 압전소재인 ZnSnO3는 월등히 높은 분극특성을 띄고 있고, 상온에서 성장이 가능하며, 높은 압전출력을 보이는 새로운 소재로서, 이를 이용해 압전 에너지 하베스터를 제작하여 수직으로 힘이 가해질 때 높은 출력을 발생시킬 수 있다는 연구가 보고되었다. ZnSnO3는 기계적으로 안정한 Polydimethylsiloxane(PDMS)내부에 분산시켜 자동차가 500회 이상 소자를 밟고 지나가는 상황에도 안정적인 전기 에너지 하베스팅(20 V, 1 )이 가능하다[3]. 이는 기존 1차원, 2차원 압전 에너지 하베스터와 달리 재료의 결정성에 구애 받지 않고, 기계적으로 안정하며, 높은 수준의 출력의 지속성을 확보할 수 있는 신개념 압전 에너지 하베스터라 할 수 있다.

▪ 하이브리드 형태 기반 에너지 하베스터
시간당 변화하는 온도에 따라 지속적인 분극을 나타내는 현상인 초전효과를 응용하여 열에너지를 전기에너지로 하베스팅 가능한데, 최근에 압전․초전 물질인 P(VDF-TrFE)를 기반으로 기계적 에너지와 열에너지를 동시에 전기 에너지로 전환 가능한 하이브리드 하베스팅 기술이 연구되고 있다. 열에너지는 인간의 체온과 기계 장비에서 발생하는 진동으로부터 얻을 수 있으므로, 그림 3과 같이 기계적 에너지와 열에너지를 동시에 전기에너지로 전환할 수 있는 압전․초전 하이브리드 에너지 하베스터가 연구되고 있다.

또 다른 형태로서 압전․태양광 하이브리드 에너지 하베스터가 연구되고 있으며 태양광 에너지의 에너지 변환효율의 한계 및 시공간적 제약을 극복할 수 있는 차세대 융․복합 하이브리드 에너지 하베스터다. 압전 물질로부터 생성된 전위차와 전계가 태양광 하베스터에서 생성된 전류에 영향을 끼치며, 이는 단순한 출력의‘합’이상의 출력 특성을 보이는 새로운 메커니즘을 제시했다.

정전 현상 기반 에너지 하베스터
▪ 물질의 종류에 따른 정전 특성 제어(1) : 꿈의 신소재, 그래핀
기계적으로 안정하며, 얇고, 유연한 꿈의 신소재인 그래핀을 에너지을 이용한 정전 에너지 하베스터를 제작하였는데 여러 가지 방법으로 그래핀의 전기적 특성을 제어하여 소자를 측정하였다. 먼저 그래핀을 여러 장 쌓아 소자를 측정하였는데, 그래핀의 장수가 증가하면 일함수가 증가하여, 그래핀과 마찰하는 PET와의 일함수 차이가 커져서 출력치가 증가하여야 하나, 그래핀의 장수가 증가할수록 마찰이 적게 발생하여 이동하는 전하의 양이 감소하고 따라서 소자의 출력은 감소함을 알 수 있었다. 이 외에도 물질내부 전하 농도 혹은 표면의 화학적 처리를 통한 제어를 이용하여 소자의 출력을 향상시키는 연구가 진행되고 있다.

▪ 물질의 종류에 따른 정전 특성 제어(2) : 형상기억폴리머
높은 출력의 정전 에너지 하베스터를 실현하기 위해, 표면에 마이크로 사이즈의 피라미드 패턴을 형성시켰지만 높은 기계적 힘에서는 내구성 문제로 높은 양의 전력 발전이 기술적 한계가 되었었다. 이를 해결하기 위해, 형상기억폴리머를 이용하여 정전 에너지 하베스터를 제작하였다. 특정 온도에서 폴리머의 형태가 복원되는 특성을 응용하여, 높은 기계적인 힘에 의해 출력특성이 감소하여도 형태가 복원되는 온도를 인가해줌으로써 지속적인 에너지 하베스팅이 가능하게끔 디자인되었다[7]. 이와 같이, 외부 자극에 물리적, 화학적, 그리고 광학적으로 변형가능한 폴리머 물질을 이용한 정전 에너지 하베스터 연구가 진행 중이다.

▪ 물질의 종류에 따른 정전 특성 제어(3) : 웨어러블 텍스타일
ZnO 나노와이어를 직물 위에 성장 시키고 그 위에 PDMS물질을 코팅함으로써 나노 구조형태의 PDMS와 은(Ag)이 코팅된 직물을 이용한 정전기 발전 소자를 제작하였다. 정전기 효과에 의해 대전되는 두 물질인 PDMS와 은(Ag)을 나노 구조형태와 직물을 이용하여 접촉 면적을 늘려줌으로써 대전된 표면전하의 양을 늘려 출력 전압과 출력 전류를 증가 시킬 수 있는 구조를 성공적으로 설계하였다[8]. 의복의 주요 구성물인 직물을 이용한 에너지 하베스팅 기술은 다양한 기술의 집적체인 웨어러블 디바이스에 필요한 에너지원을 제공함으로서 자가발전영향을 끼칠 것이다.

▪ 구조에 따른 정전 특성 제어(1) : 스펀지 구조
PDMS물질을 스펀지 형태로 제어하여 소자를 제작하였다. 먼저 Polystyrene(PS)를 쌓고 PDMS를 부어 굳힌 후에 아세톤에 담가두어 PS만 녹임으로써 스펀지 구조를 구현하였다. PDMS를 스펀지 형태의 구조로 만들면 PDMS와 마찰을 일으키는 물질 간의 계면뿐만 아니라 PDMS 내부 공극에서도 표면전하를 발생시키기 때문에 소자의 출력을 향상시킬 수 있었다. 기존의 PDMS구조 기반 정전 에너지 하베스터보다 약 13배의 출력향상을 보였다

▪ 구조에 따른 정전 특성 제어(2) : 플러터링(fluttering)구조
그림 9. 바람의 흔들림에 최적화된 직물을 기반으로 한 정전 에너지 하베스터의 출력 특성 평가 및 초고속 카메라를 통한 구동 메커니즘 규명
금이 코팅되어 있는 유연한 직물을 바람에 잘 흔들릴 수 있는 구조로 제어하여 소자를 제작하였다. 소자에 인가한 바람의 속력에 따라 소자의 움직임을 고배속 카메라로 관찰 및 분석하였으며, 이에 따른 정전 에너지 하베스팅 특성 메커니즘을 정립하였다. 바람만을 이용하여 경제적인 에너지 하베스터를 개발했으며, 실제 자동차 위에 설치하여 전기를 생산 및 캐패시터에 충전까지 가능함을 기술적으로 보였다.

에너지 하베스팅 기술에 대한 기대 및 결론

우리 주변에 버려지는 에너지를 사용할 수 있는 에너지로 변환시켜 주는 에너지 하베스팅 기술은 기존의 신재생에너지 기술과 다르게 시공간에 대한 제약을 받지 않기 때문에 자가구동 형태의 환경 모니터링, 신체바이오센서, 모바일 전자기기의 전력원 등 다양한 분야로의 기술 적용이 가능하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 유연하거나 늘어나는 에너지 하베스터는 혈류, 심장박동, 관절, 근육의 수축 및 이완 등 신체의 움직임으로 발생하는 기계적 에너지를 이용하여 인체삽입형 전자소자의 전원공급에 유용하게 적용이 가능하다.

또한, 소리의 진동에너지를 이용하여 소음, 음성, 음악 등의 미세한 진동에너지를 사용 가능한 전기에너지로 변환시킬 수 있어서 휴대전화를 통해 대화하는 동안 충전이 가능하고, 자동차 및 비행기에서 발생하는 진동 및 소음 등을 이용하여 전기를 생산한다면 에너지 전환효율을 높일 수 있을 것이다. 현재 지속적인 연구를 통해 다양한 형태의 에너지 하베스터의 성능이 향상되고 있으며 각각의 소자를 융·복합하는 하이브리드 소자의 개발 등을 통해 다양한 응용분야에서 사용이 가능할 것이다.

에너지 하베스터를 통해 생성된 전력을 상용화 된 LED 및 LCD 구동에 성공하였으며 모바일 전자기기의 전원 공급의 가능성을 확인하였으며 향후 지속적인 연구를 통해 더 큰 에너지를 발생시킬 것이라 예상되며, 이에 따라 에너지 산업 분야에서 매우 비중 있는 역할을 할 것이라 기대된다. 아직은 에너지 하베스팅 기술로 세계에너지 수요를 충족시키긴 부족한 단계이지만, 효율적인 출력 향상 연구가 계속적으로 진행된다면 미래의 대체에너지원으로서 커다란 파급을 가져올 것이라 예상된다.

글 | 김상우 교수(성균관대학교)

김상우 교수는 성균관대학교 공과대학 금속공학부를 나와, 광주과학기술원에서 공학석사와 교토대학교에서 전자공학 박사학위를 받았다. 영국 케임브리지 나노사이언스센터 연구원을 거쳐, 금오공과대학교 전임강사와 조교수를 역임하고 현재 성균관대학교 신소재공학부 교수로 근무하고 있다.