KAIST-NTU, 일상 움직임으로 웨어러블 기기 충전 기술 개발

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 한국과 싱가포르 연구진이 운동 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환해 웨어러블 기기의 자가 충전이 가능하게 하는 새로운 방법을 개발해 주목된다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 싱가포르 난양공대(NTU) 전자공학과 이석우 교수 연구팀과 새로운 전기화학적 에너지 수확 방법을 개발했다고 10일 밝혔다.

또 이를 통해 기존 기술 대비 10배 높은 출력과 100초 이상 지속되는 전류 생성에 성공했다.

운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 보통 압전과 마찰전기 방식으로 순간적으로 높은 전력을 발생시킬 수 있으나, 내부 저항이 높아 전류가 짧게 흐르는 한계가 있다. 이에 더 효율적이고 지속 가능한 에너지 하베스팅(수확) 기술이 요구되고 있다.

연구팀은 물과 이온성 액체 전해질에 전극을 각각 담가 이온의 이동으로 발생하는 전위차(전기적 위치에너지)를 이용해 전력을 수확하는 새로운 방식을 개발했다.

또 이온이 전해질과 전극 계면에서 산화ㆍ환원 반응을 통해 에너지를 어떻게 발생시키는지 더 깊이 이해하기 위해 제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다. 제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션은 양자역학 법칙을 사용해 전자들의 거동을 계산하는 것을 말한다.

그 결과 이온이 각 전해질에서 주변 용매와 상호작용하는 방식과, 전해질 환경 따른 전극 내부에서의 주변 상호작용 에너지가 다르게 나타났음을 확인했다. 또 이러한 종합적인 상호작용이 에너지 차이를 발생시키며 이를 통해 전해질 간 전위 차이를 설명하는 중요한 원리를 제시했다.

이밖에 이 시스템을 여러 개 직렬로 연결하면 출력 전압을 크게 높일 수 있다는 것을 확인했다. 이로써 계산기를 작동시킬 수 있을 정도인 935mV의 전압을 달성했으며, 이는 저전압 기기나 웨어러블 디바이스와 같은 장치에 적용 가능하다.

또 물리적 마모 없이 장시간 안정적으로 작동할 수 있어 사물인터넷(IoT) 기기나 자가 충전형 전자기기에도 실용적으로 적용될 가능성이 크다.

서동화 교수는 "이 연구의 핵심은 일상적인 움직임, 즉 저주파 운동에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있다는 점”이라며 "시뮬레이션과 실험의 협업을 통해 에너지 수확 원리를 깊이 이해함으로써 설계 가이드라인을 도출할 수 있었고 이는 상용화 가능성을 크게 높였다”고 말했다.

이동훈 난양공대 전자공학과 박사과정, 송유엽 KAIST 신소재공학과 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단과 한국과학기술정보연구원의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션' 온라인에 지난 10월19일 게재됐다.

memory4444444@news1.kr