박재영 교수 연구팀, 인체의 움직임 및 주변의 작은 진동으로부터 고출력의 전기를 생산하는 광대역 하이브리드 나노발전기 개발 성공

“박재영교수 연구팀, 인체의 작은 움직임 및 주변의 작은 진동으로부터 고출력의 전기를 생산하여 사물인터넷 (IoT) 및 웨어러블 전자기기의 반영구적 친환경 전원으로 사용하기 위한 저주파 공진 기반 광대역 하이브리드 나노발전기 관련 광운대 독자기술 개발 성공”

본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 인체의 작은 움직임이나 주변의 작은 진동으로부터 고출력의 전기를 생산하는 기술개발에 성공하였다. 연구팀이 개발한 하이브리드 나노 발전기는 작은 할바흐 자석 배열을 이용한 전자기 에너지 수확소자와 나노 다공성 알루미늄 전극 및 나노구조 표면을 갖는 PTFE 소재를 이용한 마찰전기 에너지 수확소자를 결합시키는 구조로 웨어러블 전자기기 및 사물인터넷 시스템에 전원으로 활용 가능할 정도의 고출력의 전기를 생산하는데 성공했다.

최근 착용 및 휴대 가능한 전자기기 및 시스템의 전력 소모가 낮아짐으로 인하여, 이러한 기기 및 시스템에 친환경 연구전원 장치로 사용하기 위한 에너지 하베스팅 기술이 빠르게 발전되고 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 수확기술을 결합한 전자기-마찰전기 하이브리드 에너지 수확 기술이 상용화 가능성이 높은 고출력 발전기술로 평가되고 있다.

박재영 교수 연구팀은 3D 프린팅 기술로 제작된 하부 평판에 할바흐 배열의 자석 및 구리 전극과 나노구조 표면을 갖는 PTFE를 부착하고, 반대편 상부 평판에 다공성 나노 표면이 형성된 양극 산화 알루미늄 (AAO) 및 코일을 부착한 저주파 낮은 진동에서도 고출력 전기를 생산 할 수 있는 초소형 광대역 하이브리드 나노 발전기를 개발하는데 성공하였다. 또한 이론과 실험적으로 하이브리드 나노발전기의 특성 및 성능을 규명하는데 성공함으로써, 다양한 응용에 적합한 맞춤형 나노 발전기를 설계할 수 있게 되었다. 제작된 하이브리드 나노발전기는 850Ω의 부하저항에서 2.61 mW의 최대 평균 전력을 얻을 수 있었고 30초동안의 작은 진동으로부터 100uF의 커패시터에 2V의 DC 전압을 발전 및 충전하는데 성공했다. 또한 전력 변환 및 관리 회로와 연결하여 상업용 온 습도계 동작 및 150개 이상의 LED 점등을 데모하는데 성공했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 바이오·의료기술개발사업 (2017M3A9F1031270), 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(Technology Innovation Program, 20000773) 및 광운대학교의 교내연구비 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 Nano Energy (IF: 15.548) 2019년 9월 23일자 온라인 판에 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104122