[신기술 소개] 역 전기습윤 현상을 이용한 고에너지 회수법

30 … NICE, 제30권 제1호, 2012

신기술 소개

지난 수십 년간에 걸쳐 다양한 분야에서 휴대용 전 자기기의 발전에 힘입어 고능성 배터리 개발 필요성 이 크게 대두되고 있다. 여러 가능한 기술 중에서 기 계적인 에너지를 전기적인 에너지로 전환할 수 있는 고성능 기계적 에너지 회수법(high-power mechanical energy harvesting)을 이용한 방법이 대안으로 고려 되고 있지만, 적합한 기술이 제시되지 않고 있는 실정 이다. 이 중에서 압전 물질(Piezo-electric materials)의 경우 외부 날씨와 같은 환경적인 요인에 의해 성능적 인 측면에서 영향을 받지 않을 뿐더러 높은 에너지 밀 도를 얻을 수 있어 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 즉, 역 압전 효과를 활용한 에너지 회수법을 이

용한 방법이 크게 주목을 받고 있다. 일반적으로 압전 효과는 물질 내 결정구조에서 기계-전기 에너지 상태 사이의 상호작용을 통해 나타나는 것으로 설명 할 수 있다. 즉, 해당 물질에 기계적 변화를 주면 전기적인 신호가 발생하고, 반대로 전기적인 신호를 가하면 기 계적인 변화가 발생하는 것이다. 이 때 전자를 1차 압 전 효과라 부르며 후자를 2차 압전 효과 혹은 역 압전 효과라 부른다.

한편, 미국의 InSTEP NanoPower 연구팀은 전기 습윤(electrowetting-on-dielectric) 현상을 역으로 이 용하여 나노미터 수준의 다층 유전체 필름과 미세액 체방울 이동의 상호작용을 통해 전기 에너지를 생산

역 전기습윤 현상을 이용한 고에너지 회수법

(Reverse Electrowetting as a New Approach to High-power Energy Harvesting)

그림 1. 역 전기습윤법의 작동원리 및 방법의 모식도 (A) 진동 플레이트 사이의 물방울, (B) 슬라이드 사이의 물방울,

(C) 미세채널 안의 물방울, (D) 미세채널 안에서의 에너지 생성을 위한 역 전기습윤 장치 모식도.

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 30, No. 1, 2012 … 31

중요한 장점은 역 전기습윤(reverse electrowetting) 현상을 이용하여 기계적 에너지를 전기적 에너지로 최초로 변환하였고, 이것은 매우 넓은 범위의 기계적 힘을 이용하여 넓은 범위의 전류와 전압으로 생산이 가능하며 최대 10³W/m²고전력 밀도를 가지는 것을 시현하였다는데 그 의의가 있다.

일반적으로 유전체로 코팅된 전도성 매질 위에 전도 성 액적의 동력학은 잘 알려져 있다. 전하의 흐름을 막 아주는 유전체 표면층 그리고 친유성기 층으로 이루어 진 기질 위에 물방울을 뿌려 놓은 뒤 액적 위아래 전극 에 전압을 걸어주게 되면, 전압에 따라 물방울의 형상 이 변하게 된다. 낮은 전압 아래에서는 동그란 물방울 모양을 가지며, 높은 전압 아래에서는 바닥에 퍼지는

형태를 띠게 되며, 이를 전기 습윤 현상(electro-wetting) 이라 부른다. 전압을 제거 후에는 원래의 물방울 모양 으로 돌아오게 되는 가역적인 현상이다. 이 논문의 연 구팀은 이 현상의 역으로 외부의 힘에 의해 유전체를 덮는 액적의 면적을 줄이게 하면 유전체 표면층을 중 심으로 전위차를 발생시켜 두 전극 사이에 전류를 흐 르게 할 수 있다고 착안하여 [그림 1]과 같이 역 전기 습윤현상(reverse electrowetting)을 이용한 다양한 에 너지 회수법이 가능함을 제시하였다. 이 방법은 신발 장 착형 전기 생산 및 일상의 진동을 활용한 에너지 생산 등에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있으며, 본 기술 이 배터리 관련 비용절감 및 환경적 측면에서 매우 중 요한 역할을 할 수 있을 것으로 전망된다[Nature Communications, Vol. 2, p. 448(2011)].