국제 공동 연구진이 운동 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환하는 웨어러블 기기 자가 충전 방법을 개발했다. 일상적인 움직임에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있게 됐다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 서동화 신소재공학과 교수팀이 싱가포르 난양공대(NTU)의 이석우 전자공학과 교수팀과 새로운 에너지 수확 방법을 개발, 기존보다 출력을 10배 높이고 100초 이상 지속되는 전류 생성에 성공했다고 10일 밝혔다.
기존 에너지 하베스팅 기술은 순간적으로 높은 전력을 발생시킬 수 있지만, 높은 내부 저항 탓에 전류가 짧게 흐르는 한계가 있다.
연구팀은 물과 이온성 액체 전해질에 전극을 각각 담가, 이온 이동 전위차(전기적 위치에너지)를 이용한 전력 수확 방식을 개발했다.
또 이온이 전해질과 전극 계면에서 산화·환원 반응으로 에너지를 어떻게 발생시키는지 이해하고자 '제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션(양자역학 법칙을 사용한 전자 거동 계산)'을 수행했다.
그 결과 이온이 각 전해질에서 주변 용매와 상호작용하는 방식과 전해질 환경에 따른 전극 내부 주변 상호작용 에너지가 다름을 확인했다. 전해질 간 전위 차이를 설명하는 중요한 원리를 제시했다.
연구진은 이 시스템을 여러 개 직렬 연결하면 출력 전압을 크게 높일 수 있다는 것도 확인했다. 계산기를 작동시킬 수 있을 정도인 935밀리볼트(㎷) 전압을 달성했다. 물리 마모 없이 장시간 안정적으로 작동해 사물인터넷(IoT) 기기나 자가 충전형 전자기기에도 실용적이다.
서동화 교수는 “연구 핵심은 일상적인 움직임, 즉 저주파 운동에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있다는 점”이라며 “에너지 수확 원리를 깊이 이해해 설계 가이드라인을 도출할 수 있었고, 상용화 가능성을 크게 높였다”고 설명했다.
이번 연구는 이동훈 난양공대 전자공학과 박사과정, 송유엽 KAIST 신소재공학과 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션에 지난달 19일 자 온라인 출판됐다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 나노 및 소재 기술개발사업, 중견연구사업 지원을 받아 이뤄졌고, 한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼컴퓨터를 지원받았다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
