▲ 재료연구소 분말/세라믹연구본부 류정호 박사팀과 한국과학기술원 신소재공학과 이건재 교수팀이 공동으로 만들어낸 소자.

국내 연구진이 사람의 움직이는 동작을 전기에너지로 변환해 사물인터넷 소자의 전원으로 사용할 수 있는 기술을 개발했다.

재료연구소(소장 김해두) 분말/세라믹연구본부 류정호 박사팀과 한국과학기술원(KAIST, 총장 강성모) 신소재공학과 이건재 교수팀은 공동연구를 통해 유연성 에너지 발전 소자를 개발하고 이를 이용해 사물인터넷 무선센서 네트워크 구동을 시연하는데 성공했다고 17일 밝혔다.

본 기술은 재료연구소 분말/세라믹연구본부가 독자 보유한 ‘상온진공 과립분사 세라믹 코팅 기술’과 한국과학기술원 신소재공학과 이건재 교수팀이 독자 보유한 ‘세라믹 필름의 전사공정 및 유연성 에너지 발전소자 설계·제조 기술’의 융합을 통해 이루어 졌다.

인체의 움직임이나, 기계적인 진동 등을 전기에너지로 바꿀 수 있는 압전 소자인 에너지 하베스팅 소자는 최근 많은 연구개발이 진행되고 있다. 하지만 고출력 소자 개발의 경우, 높은 전력을 변환시키면서도 유연성을 가지는 압전 필름을 제조하는 부분에서 기술적 난제를 가지고 있었다.

이에 연구팀은 개별 보유 중인 특화기술을 서로 접목해 높은 출력의 전력 생산과 유연성을 함께 가지는 에너지 하베스팅 기술을 개발하는데 성공했다.

저가의 소재와 공정기술을 이용해 기존 고가 대비 동등이상 수준의 출력을 얻을 수 있어 실용화 가능성이 매우 높다고 볼 수 있다.

재료연구소 류정호 박사팀은 ‘상온진공 과립분사 세라믹 코팅 기술’을 이용해 고출력을 낼 수 있는 압전 필름을 사파이어 기판 위에 제조했고, 한국과학기술원 이건재 교수팀은 무기물 레이저 박리 공정으로 이를 유연성 고분자 위로 옮겨 유연성 에너지 하베스팅 소자화에 성공했다.

본 기술로 제작된 에너지 하베스팅 소자는 손가락이나 기타 관절과 같이 접히는 동작만으로 200볼트(V) 이상의 전압과 35 마이크로 암페어(μA)의 전력을 발생시켜, 200개 이상의 LED 점등은 물론, 텍사스인스트루먼트사의 TI430마이크로 콘트롤러, 온도센서, CC2500무선 통신 칩으로 구성된 사물인터넷 기술용 무선센서 네트워크 등을 구동하는데도 충분한 수준의 전력이 발생되는 것을 확인할 수 있었다.

특히 본 기술을 적용한 유연성 에너지 하베스터를 이용해 만든 자가 독립전원은 사물인터넷의 독립전원 기술에 적용이 가능하다.

연구책임자인 재료연구소 류정호 박사와 한국과학기술원 이건재 교수는 “본 기술을 바탕으로 연구가 더욱 심화된다면, 현재 연구단계에 머물러 있는 실제 사용 가능한 수준의 고성능을 가진 유연성 에너지 하베스터의 제조비용을 획기적으로 낮출 수 있다”고 밝혔다.

이어 “이는 사물인터넷용 무선센서 네트워크의 구동 전원, 인체 변화를 감지하는 인체삽입형 센서 기술의 전력원으로 활용 가능하게 되어 사회 안전뿐만 아니라 개인의 건강진단까지도 사물인터넷에 접목될 수 있을 것이고, 향후 저전력 센서/무선통신 소자들과의 접목으로 인체의 변화를 실시간으로 감지할 수도 있을 것”이라고 말했다.

한편, 재료연구소의 주요사업과 한국과학기술원의 글로벌 프론티어사업을 통해 수행된 이번 연구성과는, 각 기관이 보유한 특화 기술을 융합하여 성공적으로 이루어낸 결과로 에너지 소재 분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스지(Advanced Energy Materials, 제1저자: 황건태 박사, V. Annapureddy 박사)에 출판되었다.