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Research

투명하고 유연한 에너지 발전 소자 개발

  • 조회. 181
  • 등록일. 2022.07.05
  • 작성자. 대외협력팀

단순 구조 소자로 차세대 전원 공급장치 및 촉각 터치센서 활용 가능성 실마리

 

 신축성 폴리염화비닐* 고분자 겔을 응용한 마찰전기 나노발전기** 구현하여, 정전기로부터 얻은 에너지로 위치와 압력을 인식할 수 있는 촉각센서가 국내 연구진에 의해 소개되었다.

* 폴리염화비닐(PVC) : 건축 파이프, 바닥재 등에 주로 사용되는 단단한 플라스틱

* 마찰전기 나노발전기 : 기계적 에너지(접촉, 진동 등)를 이용해서 전기를 생산하는 소자

 한국연구재단(이사장 이광복)은 이주혁 교수 연구팀(대구경북과학기술원, 1저자 박효식 석박통합과정) 배진우 교수 연구팀(한국기술교육대학교, 1저자 오승주 박사과정)과 협력하여 투명하고 신축성 있는 고분자 겔 단일층으로 구성된 마찰전기 나노발전기를 개발했다고 밝혔다.

 이는 에너지 발전 소자로써 기계적 에너지를 수확할 수 있을 뿐 아니라, 전극 그리드 패턴* 없이도 임의의 위치를 터치하면 그 위치를 감지할 수 있는 촉각센서로도 구현 가능했다.

* 전극 그리드 패턴 : 격자 모양으로 전극이 배열된 형태

 최근 웨어러블, 스트레처블 전자기기의 다양화로 인해 신축성 있는 전자기기를 구현하려는 시도가 활발해지고 있으며, 이에 활용 가능한 전원 공급 장치의 개발 또한 활발하게 이루어지고 있다.

 특히 마찰전기 나노발전기는 압력, 진동, 풍력 등의 버려지는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환할 수 있는 소자로써 전원 공급 장치로의 활용 가능성에 대해서도 주목을 받고 있다.

하지만 기존의 마찰전기 나노발전기는 기판, 전극, 유전소재 등 최소 2가지 이상의 층으로 이루어져 있어 두께가 두꺼울 뿐 아니라 유연성이나 투명성에 제한이 있으며 복잡한 제작공정을 이용해왔다.

 이에 연구팀은 가소제*가 포함된 폴리염화비닐 겔을 사용하여 투명하면서도 매우 잘 늘어나는 한 개 층의 고출력 마찰전기 나노발전기 개발에 성공했다.

* 가소제 : 플라스틱을 유연하게 만들어 주는 물질

 이는 기계적 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환할 수 있을 뿐만 아니라, 접촉에 의한 에너지 발전 효율도 향상됨을 확인하였다.

 또한, 촉각센서의 위치 감지를 위해 필수적인 전극 그리드 패턴 없이도 접촉 거리에 따라 마찰전기 출력이 변하는 특성을 활용, 접촉한 위치나 압력 등의 감지가 가능한 촉각 센서로의 활용 가능성을 보였다.

 연구팀은 개발한 에너지 발전 소자가 투명하고 잘 늘어나는 특성을 가지고 있어 미래 유연전자소자의 에너지원으로 활용 가능성을 기대하고 있으며,

 또한, 구조적으로 간단해 공정비용을 낮출 수 있어 향후 지속적인 연구를 통해 AR/XR 가상현실, 전자스킨, 웨어러블 장치 관련 분야에도 적용 가능할 것으로 기대하고 있다.

 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구, 중견구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)온라인판 526 게재되었고, 표지 논문으로 선정되었다.

 

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주요내용설명

 

1. 연구의 필요성

○ 액추에이터, 트랜지스터, 전자 피부, 스마트 센서 등 다양한 분야에서 신축성 있는 전자기기를 구현하려는 시도가 활발해지고 있으며 이러한 소자에 에너지를 공급하기 위하여 신축성/유연성 전원공급장치 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

○ 특히 지속적인 에너지 공급과 더불어 인체 부착이 가능하며 투명하고 생체 친화적 특성이 요구되고 있다.

○ 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기인 마찰전기 나노 발전기는 전원 공급장치로 많은 주목을 받고 있다.

○ 기존 마찰전기 나노발전기는 기판, 전극, 유전소재 등 2가지 이상의 층으로 이루어져 있어 두께가 두꺼우며 유연성/투명성에 제한이 있고 복잡한 공정방식을 이용하고 있다.

○ 본 연구에서는 가소화된 고분자 단일층을 이용하여 투명하고 유연하며 생체 친화적인 고출력 마찰전기 나노발전기를 개발하는데 성공하였다.

○ 또한, 다수의 전극 그리드 패턴을 이용하는 기존 촉각 센서와는 다른 전극 그리드 패턴이 없이 단일 고분자를 이용한 새로운 형태의 촉각 센서를 개발하였다.

 

2. 연구내용

○ 단층의 가소화된 폴리염화비닐을 활용한 투명하고, 신축성 있는 마찰전기 나노발전기(이하 TENG) 제작 및 촉각 센서(tactile sensor)* 시스템을 구현하였다.

* 촉각 센서 : 위치, 압력, 물질 등을 인식할 수 있는 센서

○ 본질적으로 단단하고 불투명한 PVC에 가소제(plasticizer)*를 넣어서 제작한 ‘PVC-gel’은 투명도가 91% (550 nm)로 우수하고, 신축성이 250% 수준으로 매우 우수했다.

* 가소제 : 고분자 분자 사이사이에 분산되어 물질을 유연하게 만들어 주는 물질

○ 또한, 가소제가 포함됨에 따라 음의 마찰 전기특성이 강해졌으며, 유전상수 및 전기전도도가 향상되었다.

○ 이러한 PVC-gel 특성을 이용하여 전극, 유전체, 기판 등 2개 이상의 층으로 구성되는 기존의 TENG 구조와 달리 PVC-gel 단층을 이용한 TENG 구현이 가능하였다.

○ 또한 높은 유전율과 마찰전기 특성은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 고출력의 에너지 발전 특성을 가능하게 하였다.

○ 이렇게 개발된 단층 PVC-gel은 값비싼 전극 그리드 패턴 없어도 위치 및 압력을 감지할 수 있는 촉각 센서 시스템을 구현 가능케 했다.

○ 단층 PVC-gel 촉각 센서에 물체가 접촉하게 되면, 마찰전기 신호가 발생하고 거리가 멀어질수록 출력이 작아지는 특성을 활용하여 접촉한 위치를 감지하는 원리를 개발하였다.

 

3. 연구성과/기대효과

○ 본연구는 매우 투명하고, 신축성 있는 PVC-gel 단층을 이용하여 마찰전기 발전기 제작 및 촉각 센서 시스템을 구축했다.

PVC-gel의 우수한 기계적, 전기적 특성으로 인해서 고출력의 에너지를 발전할 수 있으며, 구조와 공정을 단순화하여 투명하고 신축성이 있다.

○ 이러한 에너지 발전소자는 미래 유연전자 소자의 에너지원으로 활용이 가능하다.

○ 또한 유연하고 투명하여 공정이 단순한 촉각 센서의 개발은 미래 AR/VR 등 가상현실, 전자 피부, 로봇 등 분야에서 촉각 센서가 필요로 하는 요구조건을 충족할 것으로 기대한다.

 

 

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연구이야기

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은?

이번 연구는 전극 없이 고분자로만 구성된 마찰전기 나노발전기는 어떨까?’ 하는 단순한 물음에서 시작되었습니다. 마침 비수계 고분자를 연구하는 배진우 교수님과 식사를 하는 자리에서 이번 공동연구 아이디어를 제안하였고, 아이디어를 다듬는 과정 중 메타버스(metaverse) 시대에 촉각 센서의 중요성을 알게 되었습니다. 커패시터식, 저항식, 압전저항식 등 다양한 형태의 촉각 센서들이 보고되었으나, 촉각 감지를 위한 지속적인 전원 공급이 필요한 것을 보고, 이러한 문제점을 우리가 해결할 수 있겠다 생각하였습니다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개

에너지를 자가발전하기 위해서는 다양한 방법이 있는데, 그중에서 간단한 터치만으로도 쉽게 에너지를 생산할 수 있는 마찰대전발전기를 개발하면 좋겠다고 생각하였습니다. 여러가지 특성을 만족시킬 수 있는 소재를 찾던 중 폴리염화비닐겔을 발견하게 되었고, 가소제가 첨가됨에 따라 투명하고 잘 늘어나는 특성을 보이면서 유전특성이 증가하고, 더 향상된 음의 마찰대전 성능의 보이는 것을 확인하였습니다. 여기에 촉각센서로 활용하기 위해서 많은 고민과 여러 가지 시도를 진행하였고 시행착오 끝에 최종적인 결과물을 낼 수 있었습니다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가?

비수계기반 고투명/고신축의 고분자겔을 활용하여 높은 투명도를 가지면서 높은 신축성을 가진 마찰전기 발전기를 개발하였고, 이를 이용하여 별도의 전극 그리드 패턴이 필요없는 단층의 촉각 센서를 개발하였습니다. 특히, PVC 고분자에 가소제를 첨가함으로써 투명성과 신축성을 향상시킬 수 있었을 뿐만 아니라 전기적 특성 또한 향상할 수 있어서 고출력의 마찰대전성능을 얻을 수 있었고, 이를 활용하여 단층의 촉각 센서를 개발할 수 있었습니다.

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

가상현실, 전자 피부, 로봇 등의 분야에서 촉각 센서가 필요한 분야뿐만 아니라 차세대 웨어러블 디바이스로 사용할 수 있을 것으로 기대가 됩니다. 현재는 단층으로 구현되는 마찰전기 나노발전기 개념을 입증하기 위해 활용하기 쉬운 소재를 사용하였기 때문에, 생산할 수 있는 전기에너지에 한계가 있었습니다. 이를 해결하기 위해서는 후속연구를 통해 마찰전기에 더 적합한 전기적 특성을 갖는 유전 물질을 개발하여 출력을 향상할 예정이며, 촉각 센서의 실시간 모니터링 기술을 접목하여 실용화에 기여하고 싶습니다.

 

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그림설명

(그림1) (왼쪽) 폴리염화비닐 겔을 이용한 에너지 발전소자 (오른쪽) 촉각센서

 

(왼쪽) 폴리염화비닐 겔(이하 PVC-gel) 기반 마찰전기 나노발전기를 피부에 부착하여 에너지 수확하는 모식도이다.

- PVC에 가소제를 첨가하여 제작한 PVC-gel은 신축성 및 광 투과도가 우수함을 보여준다. PVC-gel 단일층으로 이루어진 마찰전기 나노발전기는 손으로 단순하게 접촉을 통해서도 고출력의 에너지 발전이 가능하다.

(오른쪽) PVC-gel 촉각센서는 단층 PVC-gel의 가장자리 부분에 4개의 전극이 연결된 간단한 구조로, 물체가 촉각센서에 접촉하면서 발생한 전기에너지를 4개의 전극에서 각각 측정하여 위치와 압력을 감지할 수 있다.

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135