“박재영 교수팀, 배터리 없는 친환경 스마트폰 개발 가능성 보인다”

- 스마트 전자기기의 친환경 자립형 전원으로 사용 가능한 인체 동력 기반 고출력 하이브리드 나노 발전기 개발 -

본교 박재영 교수팀(전자공학과)은 일상생활 속 인체의 움직임(활동)으로부터 고출력 전기를 생산하여 스마트 전자기기 및 사물인터넷 (IoT) 시스템의 친환경 자립형 전원으로 사용 가능한 기술 개발에 성공했다.

박재영 교수 연구팀(이하 연구팀)은 “이러한 고출력의 하이브리드 나노 발전기 기술은 스마트 워치 및 밴드, 스마트폰, 사물인터넷, 웨어러블 기기 등 각종 스마트 전자기기에 반영구적 친환경 전원으로 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

연구팀이 이번에 개발한 전자기-마찰전기 하이브리드 나노 발전기는 이중 할바흐 자석배열을 사용하고, 마찰 표면에 나노 와이어 및 미세 구조 표면 개질을 위한 위상반전 기술을 적용하여 출력을 크게 향상시켰고, 스마트 워치, 스마트 밴드, 스마트 폰, 웨어러블 헬스케어 기기 등 다양한 스마트 전자기기에 반영구적 전원으로 사용 가능할 정도의 전기를 생산하는데 성공했다.

<박재영 교수(좌)와 소헬(Sohel) 박사과정(우)>

저전력 구동 스마트 전자기기의 급속한 발전은 일반적으로 사용되는 배터리의 충전 및 교체와 같은 문제점의 근본적인 해결책을 요구하고 있다.

본 연구팀이 개발한 기술은 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 인체의 동력과 같은 생체 역학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 공급하는 에너지하베스팅 기술을 통해 미래의 친환경 에너지 기술로 평가 받고 있다.

생체역학 에너지를 전기로 변환하기 위한 기술은 압전, 정전기, 마찰전기, 전자기 효과 등을 이용한 원리로 나눌 수 있으며, 그중 전자기와 마찰전기 메커니즘이 가장 보편적으로 사용되는 기술이다. 전자기력 기반 나노 발전기는 일반적으로 높은 출력 전류와 상대적으로 낮은 전압을 생성하며, 반면에 마찰전기 기반 나노 발전기는 낮은 출력 전류와 높은 출력 전압을 생성한다. 본 연구팀은 이 두 가지 메커니즘을 혼합한 전자기-마찰전기 하이브리드 나노 발전기 구조를 설계하여 단일 나노 발전기에 비해 크게 향상된 고출력의 전기를 생산할 수 있었다. 생체 역학 기반의 나노 발전기는 인체의 움직임으로부터 발생하는 기계에너지를 전기에너지로 변환하기 때문에 인체 에너지를 쉽게 전달하기 위한 디바이스 구조 설계 및 제작 공정 기술이 매우 중요하다.

< 인체-기계 상호적 하이브리드 나노 발전기의 개념도, 측정결과 및 적용 사례 >

본 연구팀은 연구 개발한 기술을 이용하여 컴퓨터 마우스의 작은 움직임으로부터 쉽게 고출력의 전기를 생산할 수 있는 하이브리드 나노 발전기를 제작하였고, 20m/s2이하의 가속도에서 5Hz 미만의 주파수로 동작 시켰을 때 1.6kΩ의 부하저항에서 185W/m2의 출력 전력 밀도를 나타냈다. 또한 제작한 마우스 형태의 나노 발전기를 통하여 18mAh의 리튬-이온 배터리를 10초만에 3V까지 충전시키는데 성공했다.  

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구과제(2020R1A2C2012820)와 바이오·의료기술개발사업(2017M3A9F1031270) 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 ELSEVIER 출판의 Nano Energy (IF: 16.602) 2020년 6월 19일자 온라인 판에 게재되었다.

* Web link: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105025