“이제는 걸으면서 스마트폰을 충전한다!“

박재영 교수팀, 일상생활에서 스마트기기를 스스로 충전시킬 수 있는

친환경 고출력 하이브리드 에너지하베스팅 전원 모듈 개발

- 웨어러블 스마트기기, 각종 IoT 시스템, 스마트폰의 반영구적 범용 친환경 전원 모듈로 활용 기대 -

- 국제 유수 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(IF: 25.245) 표지 논문 선정 -

본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 일상생활의 움직임(걷기, 달리기 등), 바다의 파도, 달리는 자동차 등 다양한 주파수의 작은 진동에서 고출력의 전기를 쉽게 얻을 수 있는 친환경 하이브리드 에너지 수확 기술개발에 성공했다.

연구팀이 개발한 하이브리드 에너지 수확 소자는 연성 자속 집중재를 이용한 하나의 고출력 전자기 에너지 수확 소자와 나노구조 표면의 마찰대전 소재를 이용한 두 개의 마찰전기(접촉, 슬라이딩) 에너지 수확 소자를 결합시키는 구조로, 스마트 폰이나 스마트 밴드와 같은 웨어러블 스마트기기의 전원으로 활용가능한 고출력 전기를 수확할 뿐만 아니라 전력 관리 회로, 저장소자, USB Type-C 포트까지 하나의 소형 모듈로 패키징 함으로써 다양한 응용 제품에 사용할 수 있다.

<박재영 교수(좌)와 푸카르 박사과정(우)>

최근 과학 기술의 발전과 더불어 피트니스/헬스케어 모니터링과 같은 다기능 휴대용/웨어러블 스마트 전자기기가 일상생활에 많이 사용되고 있으며 사물인터넷(IoT)의 발달에 의한 센서의 사용 또한 크게 늘고 있다. 이러한 스마트 전자기기 및 센서는 소형, 경량, 이동성 및 내구성을 갖춘 전원 공급원이 반드시 필요하다.

교체 및 충전식 전기 화학 배터리는 전원을 공급하기에는 탁월하지만 수명이 제한되어 있고 재충전 및 교체가 어려우며 배터리 폐기로 인한 환경 오염도 유발한다는 단점이 있다. 작은 진동 에너지 기반의 친환경 에너지 수확 기술은 휴대용 및 웨어러블 전자기기를 위한 지속 가능한 전원으로서 대체될 수 있어 최근 주목을 받고 있다.

가장 활발하게 연구가 이루어지고 있는 에너지 수확 기술에는 압전, 전자기, 마찰전기 에너지 수확 기술이 있으며, 이들 중 낮은 전압에 비해 상대적으로 높은 전류를 출력하는 전자기 에너지 수확 기술과 낮은 전류에 비해 상대적으로 높은 전압을 출력하는 마찰전기 에너지 수확 기술을 결합한 전자기-마찰전기 하이브리드 에너지 수확 기술이 상용화 가능성이 높은 고출력 발전기술로 평가되고 있다.

박재영 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 자속 집중재 및 나노표면 개질을 통한 탄성 충격 기반 고출력 하이브리드 에너지 수확 소자를 개발하는데 성공했다. 특히, 하나의 큰 스프링과 4개의 작은 스프링을 적용하여 낮은 주파수 및 작은 크기의 진동에서도 고출력을 얻도록 했다. 또한 이론과 실험적으로 하이브리드 에너지 수확 소자의 특성 및 성능을 규명하는데 성공하여 다양한 응용에 적합한 맞춤형 에너지 수확 소자를 설계할 수 있게 되었다. 연구팀이 개발한 초소형 범용 자가충전 전원 모듈은 일상생활에서 34.11mW DC 전력을 생산할 수 있으며 5.6 시간 내에 30mAh Li-Po 배터리를 완전히 충전하는데 성공했다.

특히 연구팀은 개발한 친환경 자가충전 전원 모듈로 스마트 폰, 이어 버드 및 스마트 밴드 충전을 성공적으로 시연하였을 뿐만 아니라 수질 무선 모니터링 시스템과 자동차 내 환경(온도, 습도 및 압력) 무선 모니터링 시스템을 동작하는데도 성공했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구사업 (2017M3A9F1031270) 및 광운대학교의 교내연구비 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 WILEY 출판의 Advanced Energy Materials (IF: 25.245) 2020년 12월 26일자 온라인 판에 게재 및 표지 논문으로 선정되었다.

* Web link : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202070199