[신기술 소개] 입김이나 걷는 에너지를 이용 가능케 하는 반영구적 소형 전기공급 시제품 개발 성공

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입김이나 걷는 에너지를 이용 가능케 하는 반영구적 소형 전기공급 시제품 개발 성공

Figure 1. 휘어질 때 에너지를 생성시키는 circuit 모습.

Figure 2. 압전기능이 있는 나노리본들이 실리콘

고무에 입혀진 압전 고무 chip의 모습.

프린스톤 대학 기계항공공학과 Michael McAlpine 교수팀이 세라믹 나노리본들을 입김이나 걸음에 의한 움직임 에너지를 이용할 수 있는 실리콘 고무판에 끼워 넣은 필름을 개발하였다. 개발의 목적은 휴대용 전 자기기나 의학용 기기에 안정적인 전기에너지원을 공급하는 것이다. 이 필름은 휘어질 때 전기를 생성하는 것만이 아니라, 전기가 외부에서 가해지면 자체가 휘어지는 성질도 갖고 있어서 소형 외과수술 도구로 향 후 개발될 가능성도 있다.

연구팀은 실리콘에다가 lead zirconate titanate (PZT)가 성분인 세라믹 나노리본을 성공적으로 접합시킬 수 있었다. 세라믹인 PZT는 압전(piezolectric) 특성을 가지고 있는 물질이어서 압력이 가해지면 전기를 생 성하게 된다. 가장 어려운 문제는 압전성능이 있는 세라믹 물질이 휘어질 수 있도록 하는 것인데, 늘어날 수 있는 고무 기질(substrate)에 압전 세라믹물질을 프린팅하여 해결할 수 있었다. 고온과 기질의 성상 등 세라믹 결정 성장을 지배하는 조건들이 고성능을 위해서 매우 중요한데, 이들 조건들은 고무 기질과 세라 믹 물질간 접합성을 제한하기도 한다.

제조 방법은 먼저 고온에서 PZT 세라믹 나노리본을 제조하고, 이들 리본들을 깨끗한 실리콘 고무판에 접합을 시킨다. PZT는 가해지는 기계적 에너지의 80%를 전기에너지로 변환시킬 수 있는 가장 효율이 우 수한 압전 소재로서, 다른 압전 소재인 석영(quartz)보다 100배나 효율적이다. 입김이나 걷는 운동에너지는 크지 않으므로 변환할 때 효율이 높아야만 한다. 생성된 전기를 이용하기 위해서는 smart한 전극을 특별히 설계해야 하는데, 연구진은 휴대용 전자기기를 작동시킬 수 있는 prototype 기기 완성단계에 있다.

실리콘은 이미 성형이나 의학용 기기에 많이 사용되고 있는 bio-compatible한 물질이다. 따라서, 개발 될 전기 생성기기는 인체에 삽입되어 반영구적으로 전기에너지를 공급하는 기기에 적용될 수 있다. 인체의 폐 근처에 삽입된다면 호흡에 의한 움직임을 전기에너지로 바꾸어 심장박동기 전원을 공급할 수도 있고, 구두나 신발에 설치된다면 걷는 움직임만으로도 휴대용 전자기기에 필요한 전기를 공급할 수도 있다.

출처 : Chemical Engineering Progress, 2010년 3월호

작성 : 윤용승(고등기술연구원)