박재영 교수 연구팀, 휴대형 전자기기의 웨어러블 및 범용 동력원으로 사용 가능한 다층 집적 하이브리드 나노발전기 개발 성공

"박재영 교수 연구팀(전자공학과), 나노 기둥 표면이 형성된 PDMS, PVDF 유연 압전물질, 폴리이미드 필름을 적층하여 제작한 웨어러블 고출력 하이브리드 나노발전기 관련 광운대 독자기술 개발 성공"

본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 나노 기둥 표면을 가진 두 PDMS 층과 폴리이미드 필름 캡슐화 된 PVDF (polyvinylidene fluoride) 필름을 적층하는 구조로 집적하여 휴대형 전자기기를 동작시킬 수 있는 고출력 마찰전기-압전기 하이브리드 에너지 수확소자 기술 개발에 성공했다.

<박재영 교수(좌)와 Mohammad Salauddin Rasel 박사과정(우)>

에너지 수확(하베스팅) 기술은 휴대 및 웨어러블 전자기기, IoT (사물인터넷)의 전원으로 사용 중인 리튬이온 2차 전지를 대체할 수 있는 자가발전 전원기술로써 반영구적이고 친환경적인 장점 때문에 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, IoT 기반 저전력 웨어러블 스마트 기기들의 수요가 급증하면서, 인체의 움직임과 같은 작은 진동에서도 고출력을 낼 수 있는 웨어러블 에너지 수확 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

박재영교수 연구팀은 유연 압전소재인 PVDF 필름과 나노 기둥 표면이 형성된 두개 PDMS 필름을 적층 구조로 집적시킴으로써 한번의 손 박수에 두개의 마철전기 소자와 하나의 압전기 소자가 동시에 전기를 생산하는 웨어러블 고출력 하이브리드 나노 발전기를 개발하는데 성공했다. 또한, 마찰전기 에너지 하베스터의 출력을 높이기 위해 형성된 나노 기둥 표면은 양극 산화 알루미늄 (AAO)의 나노 표면을 PDMS에 전사시키는 방법으로 제작되었다. 두 개의 마찰전기 에너지 하베스터와 하나의 압전 에너지 하베스터를 수직으로 적층할 때 서로의 간섭 현상을 최소화하고 안정적 고출력을 얻기 위하여 기계적 강도가 우수한 폴리이미드 필름을 절연층으로 사용하였다. 제작된 하이브리드 나노발전기는 손박수만으로 560 V에 달하는 전압을 출력하였고, 23.08 MΩ의 최적 부하저항에서 3.7 W/m2의 최대 피크 전력밀도를 나타냈다. 또한 제작된 전력 변환 및 관리 회로를 통하여 5 V DC 전압으로 변환되어 상업용 만보기 동작, 전기면도기, 포켓 와이파이, 그리고 스마트폰 충전에 성공했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업 (2017M3A9F1031270), 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(Technology Innovation Program, 10053023) 및 광운대학교의 교내연구비 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 Nano Energy (IF: 15.548) 2019년 6월 6일자 온라인 판에 게재되었다.

Web link : https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.06.012

<웨어러블 고출력 하이브리드 나노발전기의 (a) 컨셉도, (b) 동작 원리, (c) 전력관리 회로, (d-g) 전자기기 동작 및 충전사진>