전자정보대학 웨어러블융합전자연구소 유재수 교수(전자공학과) 연구팀과 전자공학과 이종욱 교수 연구팀이 공동연구를 통해 마찰전기 나노발전소자(Triboelectric Nanogenerator, TENG)를 위한 전하 극성 변조 대전물질 및 소자의 출력 전달 효율을 향상시키는 전력 관리 시스템을 개발했다. 연구팀이 개발한 마찰전기 나노발전소자는 4차 산업혁명 시대의 사물인터넷(IoT) 분야에서 다양하게 응용할 수 있다.

웨어러블융합전자연구소 유재수 교수·전자공학과 이종욱 교수 공동연구 성과 발표
사물인터넷(IoT) 응용 위한 마찰전기 나노발전소자의 대전물질 전하 극성 변조·전력 관리 효율 향상

마찰전기는 서로 다른 물체가 마찰할 때 발생하는 것으로, 우리 주위에서 흔히 발생한다. 그러나 발생 원인이 명확히 규명되지 않고 있으며, 이를 에너지원으로 사용하는 데에는 여전히 한계가 있다. 기후위기로 친환경 에너지에 대한 관심이 커지고 스마트홈, 웨어러블 디바이스 등 사물인터넷(IoT) 제품이 빠르게 확산하면서 마찰전기와 같이 일상에서 버려지는 에너지를 활용하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 연구에 속도가 붙고 있다. 최근에는 효율적인 에너지 하베스팅의 가능성을 보인 마찰전기 나노발전소자(Triboelectric Nanogenerator, TENG)가 주목받고 있다.

마찰전기 나노발전소자는 마찰 과정에서 물체 표면이 양극, 음극 전하로 대전 되는 현상을 이용해 전기를 수확하고 충전하는 장치인데, 마찰대전의 발생 원인에 대한 좀 더 명확한 규명과 소자의 출력 성능 개선이 필요하다. 전자정보대학 웨어러블융합전자연구소 유재수 교수(전자공학과) 연구팀과 전자공학과 이종욱 교수 연구팀이 공동연구를 통해 문제 해결에 나섰다. 연구팀은 마찰전기 나노발전소자 대전물질의 새로운 전하 극성 변조 기술 개발을 통해 마찰대전 프로세스 규명에 기여하고, 소자의 출력 전달 효율을 향상시키는 전력 관리 시스템을 개발해 에너지 하베스팅 분야에서 괄목할 만한 연구 성과를 발표했다. 관련 내용은 에너지 분야 저명 학술지 『Nano Energy』(IF: 19.069, JCR 상위 5.21%) 6월 15일자에 게재됐다.

(a) 분자 정전기 전위 매핑. (b) 원자 규모-전자-구름-포텐셜-우물 모델 및 양·음의 마찰전기 필름의 에너지. (c) 준비된 다양한 복합 필름의 x-레이 회절 분석. (d) 다양한 마찰전기 필름의 일함수 측정. (e) 제작된 마찰전기 나노발전소자(TENG)의 전기 출력. (f, g) TENG1 및 TENG2에서 생성된 디코딩 코드를 점과 대시로 무선 수신하는 모스부호 생성기로 사용되는 TENG의 회로도. (h) 사용 가능한 전력을 증가시키기 위해 병렬로 연결된 TENG 쌍. (i) 180nm BCD 공정을 사용해 제조된 전력관리집적회로(PMIC)의 현미경 사진. (j) 기존의 브리지 정류기와 PMIC를 사용해 측정한 TENG의 출력 전력.

전력관리집적회로 통합한 마찰전기 나노발전소자 시스템 개발
마찰전기 나노발전소자의 성능을 향상하기 위해 일반적으로 접촉 표면에 화학적 기능화 처리를 한다. 접촉 표면 사이의 극성을 제어해 마찰전기 발생을 더욱 극대화하는 방법이다. 그러나 이 경우 환경과 인체 유해성 문제가 발생한다. 유재수 교수 연구팀은 화학적 처리 대신 고분자 화합물(Polymer Composite)을 사용해 대전물질의 전하 극성을 조절하는 데 성공했다. 연구팀은 불소(F)와 산소(O) 원자를 포함하는 고분자 화합물과 마이크로 패턴 제작기술을 활용했다. 고분자에 포함된 불소와 산소 원자를 사용해 마찰전기 필름의 극성 정도를 변조한 것이다.

전하의 극성을 변조해 두 마찰전기 필름 사이의 마찰대전 프로세스 연구에 나선 연구팀은 이를 실험적으로 밝혀내기 위해 마찰전기 나노발전소자를 제작했다. 연구팀이 제작한 마찰전기 나노발전소자는 전기 출력도 크게 높인 것으로 나타났다.

유재수 교수 연구팀은 이종욱 교수 연구팀과 공동연구를 통해 전력관리집적회로(Power Management Integrated Circuit, PMIC)를 마찰전기 나노발전소자 시스템에 통합했다. 이 집적회로는 마찰전기 나노발전소자의 임피던스를 매칭시켜 준다. 임피던스 매칭을 통해 전기가 전송되면서 발생하는 손실을 막아 최대 전력을 전달할 수 있다. 전기 출력을 극대화해 에너지 하베스팅의 효율을 높인 것이다. 연구팀이 180nm 고전압 BCD(Bipolar CMOS DMOS) 공정으로 구현한 집적회로를 통합해 높은 총에너지 전달 효율을 달성했다.

사진 왼쪽부터 연구에 참여한 대학원 전자정보융합공학과 Sontyana Adonijah Graham 학생과 전자공학과 유재수 교수.

후속 연구 통해 지속 가능한 고효율 에너지 하베스터 제작
유재수 교수는 “이번 연구를 통해 마찰전기 전하 극성 변조와 전력 관리 효율성 향상이라는 두 가지 기술을 개발했다. 마찰전기 나노발전소자와 같은 에너지 하베스터의 에너지 변환 효율을 높이는 데 기여할 것으로 기대한다”면서 “전력관리집적회로를 통합한 마찰전기 나노발전소자 시스템은 평균 전력 증가와 부하 저항 감소로 이어져 IoT 분야에서 다양하게 응용할 수 있다. 특히 휴대용 전자기기 등 IoT 기반 제품의 자체 전원 공급 장치와 센서에 활용 가능하다”고 설명했다.

IoT 출현으로 인간과 사물, 사물과 사물이 쌍방향으로 소통할 수 있게 됐다. 이 기술이 구현되기 위해서는 IoT 센서 장치에 지속적으로 전력이 공급돼야 하는데, 기존의 배터리 충방전 방식으로는 제약이 있다. 이번 연구 성과는 이 문제에 대안이 될 수 있다.

유재수 교수 연구팀은 다양한 전자기기에 전원을 공급해 자가발전 전자 시스템으로 사용할 수 있는 지속 가능하고, 고효율의 에너지 하베스터를 제작하는 데 추가 연구를 집중하고 있다. 한편, 이번 연구는 2018년 선정된 이공분야 대학중점연구소 사업 ‘융복합 에너지 자율형 다기능 센서 플랫폼 연구’의 지원을 받아 수행했다.

※ 관련 정보 보기
유재수 교수 연구자 정보
이종욱 교수 연구자 정보
웨어러블융합전자연구소 홈페이지

글 오은경 oek8524@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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