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KIER에서 들려주는 쉬운 에너지 이야기

눈 깜빡임으로도 전기를 생성하는 초박막 고효율 압전소자 개발

  • 작성일 2022.07.26
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무겁고 단단한 배터리, 신개념 에너지 소자로 대체 가능할까?

나날이 발전하는 국내 과학기술과 함께 원격 의료 시스템에도 다양한 연구와 개발이 이루어지고 있습니다. 원격 의료란 환자에게 비대면으로 의료 서비스를 제공하는 것으로, 공간적·시간적 한계를 초월하여 과거의 진료나 의료행위에 대해 접근성과 편리함을 높인 의료 시스템입니다. 이러한 원격 의료시스템 도입에 대한 관심이 높아지면서 이에 필요한 센서와 전기 공급원의 중요성도 자연스레 높아지고 있죠. 원격의료에 필수적인 센서의 역할은 심장박동이나 혈압, 심전도 측정부터 혈당까지 전자피부형 센서 등을 통해 실시간으로 측정하는 역할을 합니다. 하지만 이 같은 센서에 필요한 전원은 배터리밖에 없는 게 현실이죠. 배터리는 자체의 크기나 수시로 교체해야 하는 불편함이 있는데, 이를 해결하기 위해 관련기업이나 연구자들이 다양한 노력들을 기울이고 있습니다. 가까운 곳에서 찾아볼까요? 대구경북과학기술원(DGIST)에서는 일상생활에서 작은 움직임을 이용한 고효율 전기 발전장치 개발에 성공했다고 합니다. 오늘은 이 신개념 에너지, ‘초박막 고효율 압전소자’에 대하여 이야기해 보려 합니다.

눈 깜빡임 등 일상 생활의 움직임만으로도 ‘전기 에너지’를 얻을 수 있다?

눈 깜빡임으로 LED 램프를 켤 수 있다면 어떨까요? 믿기 어려우시겠지만 현실에서 가능한 일이 되었습니다. 대구경북과학기술원(DGIST)은 생체 친화적 물질을 기반으로 눈 깜빡임 등 작은 인체 움직임을 이용한 고효율 발전 장치를 개발했는데요. 개발된 압전 소자를 눈 근처에 붙여 실험한 결과, 눈을 깜빡일 때마다 압전소자가 피부 주름에 의해 변형되면서 전기를 생산하였고, 생산된 전기를 축전기에 모아 LED 전구를 켰는데 성공했습니다. 개발된 에너지 압전소자는 약 4㎛ 두께의 극히 얇은 압전 발전 소자로 생체진화적 물질을 사용해 인체에 사용 시 독성 문제로부터도 벗어났고, 또 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않는 형태로 접히거나 곡선의 표면에서도 성능이 일정하였으며, 1만 번 이상의 변형에도 성능을 유지하는 등 다양한 장점을 지니고 있습니다. 게다가 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 전환 효율도 18.85%로 세계 최고 수준이라고 하는데요. 개발된 압전소자의 에너지 공급원으로서의 잠재력은 큰 기대를 모으고 있다고 합니다.

원격 의료 진단 기기의 새로운 에너지원으로 기대감 상승!

▲ 초박막 압전 에너지 발전 소자의 발전 메커니즘, 초박막 압전 에너지 발전 소자의 응용(이미지 출처=DGIST)

앞서 소개해드렸듯이 최근 원격 의료 시스템의 필요성이 커짐에 따라, 생체 신호를 측정하는 센서에 장시간 지속적인 에너지 공급이 가능한 에너지원에 대한 연구가 계속되고 있는데요. 이번에 개발된 에너지 발전소자는 특히 원격 의료 진단 기기의 에너지원으로서 큰 역할을 할 수 있어 더욱 기대가 됩니다. 기존 압전 에너지 발전 소자는 몸에 유해한 물질인 PZT 등을 사용하기 때문에 인체에 적용하기 위해 보호막을 이용해야 하므로 소자의 두께가 두꺼워지고, 이로 인해 피부에서 분리되는 등 효율적인 에너지 수확이 불가능하게 되는 불편함이 있었어요. 하지만 새로 개발된 에너지 발전소자는 생체친화적 압전 고분자 물인 ‘PVDF-TrFE’를 사용해서 독성 문제도 해결하였고, 동일한 조건의 두꺼운 기판 소자보다 0배 정도 더 뛰어난 효율도 보이고 있습니다.

초박막 압전 에너지 발전 소자의 가장 뛰어난 점은 친환경 전기 에너지를 얻을 수 있다는 사실이 아닐까 싶습니다. 이렇듯 친환경적이며 무한한 잠재력을 지니고 있는 ‘초박막 고효율 압전소자’로 하루 빨리 무겁고 단단한 배터리를 대체하고 새로운 에너지원으로 자리매김하는 날이 오기를 기대해봅니다.

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