몸속에서 스스로 전기 생산‧저장하는 소자 개발 ‘주목’

- 부경대 황건태 교수팀 … 생체이식형 웨어러블 기기 실현 앞당

사람의 몸속에 심어 근육의 작은 움직임만으로 전기에너지를 만들고 저장할 수 있는 ‘자가충전형 유연 에너지 저장 소자’가 개발돼 주목받고 있다.

부경대학교 황건태 교수(재료공학과) 연구팀은 한국재료연구원 윤운하 박사팀, KAIST 이건재 교수팀, 영남대학교 류정호 교수팀, 금오공과대학교 박정환 교수팀과 공동으로 스스로 전기 에너지를 생산하고 저장까지 가능한 신개념 에너지 하베스팅 & 스토리지 일체형 소자를 개발했다고 3일 밝혔다.

최근 주목받는 에너지 하베스팅은 우리 주변의 버려지는 에너지를 수집해 유용한 전기 에너지로 변환하는 신재생 에너지 기술이다.

연구팀은 이번 연구에서 근육의 작은 움직임으로 전기 에너지를 생산하고, 이것을 효과적으로 저장할 수 있는 세라믹 기반의 유연한 자가충전형 에너지 저장 시스템을 구현했다.

연구팀은 효과적인 에너지 저장을 위해 강유전 세라믹인 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PMN-PT)의 결정립을 나노미터(nm) 크기로 만들어 에너지 저장효율을 높이고, 저장된 에너지의 방출이 수백 나노초의 매우 짧은 시간 내 이루어질 수 있게 하는 데 성공했다.

이번에 개발된 시스템은 기존의 배터리와 비교해 월등히 높은 에너지 출력밀도를 달성함에 따라 순간적으로 큰 에너지가 필요한 생체이식형 심장 제세동기 등에도 응용될 수 있을 것으로 기대를 모은다.

특히 스마트 워치로 대표되는 웨어러블 기기는 향후 신체부착‧생체이식형 기술로 진보할 것으로 예상되는데, 연구팀의 이번 기술을 활용하면 심박수 등 기본적인 건강상태를 실시간으로 관찰하는 스마트 헬스케어가 가능해질 전망이다.

웨어러블 기기의 전원공급을 위해 널리 사용되는 배터리는 용량 문제로 반복적인 충전이나 교체가 필요한 한계가 있는데, 이번에 연구팀이 개발한 자가충전형 에너지 저장 시스템은 얇고 쉽게 휘어지는 특성으로 웨어러블 기기에 적용하기 쉽고, 스스로 전기 에너지를 생산하고 저장할 수 있어 기존의 배터리를 대체 또는 보조할 수 있게 된 것이다.

이번 연구는 한국연구재단 등의 지원을 받아 진행됐으며, 연구성과를 담은 논문 ‘Flexible Self-Charging, Ultrafast, High-Power Density Ceramic Capacitor System’은 세계적 에너지 관련 학술지 <ACS Energy Letters>(IF: 23.1)에 최근 게재됐다.

※ 붙임: 1. 자가충전형 유연 에너지 저장 소자의 모습 2. 자가충전형 유연 에너지 저장 소자의 동작 모습(좌)과 소자에 저장된 전기 에너지의 방출 그래프(우)