[스마트경제=복현명 기자] 유재수 경희대학교 전자정보대학 웨어러블융합전자연구소 교수 연구팀과 이종욱 전자공학과 교수 연구팀이 마찰전기 나노발전소자 대전물질의 새로운 전하 극성 변조 기술 개발을 통해 마찰대전 프로세스 규명에 기여하고 소자의 출력 전달 효율을 향상시키는 전력 관리 시스템을 개발해 에너지 하베스팅 분야에서 괄목할 만한 연구 성과를 발표했다.
관련 내용은 에너지 분야 저명 학술지 ‘Nano Energy’(IF: 19.069 JCR 상위 5.21%) 6월 15일자에 게재됐다.
마찰전기 나노발전소자의 성능을 향상하기 위해 일반적으로 접촉 표면에 화학적 기능화 처리를 한다.
접촉 표면 사이의 극성을 제어해 마찰전기 발생을 더욱 극대화하는 방법이다.
그러나 이 경우 환경과 인체 유해성 문제가 발생한다. 유재수 교수 연구팀은 화학적 처리 대신 고분자 화합물(Polymer Composite)을 사용해 대전물질의 전하 극성을 조절하는 데 성공했다.
연구팀은 불소(F)와 산소(O) 원자를 포함하는 고분자 화합물과 마이크로 패턴 제작기술을 활용했다. 고분자에 포함된 불소와 산소 원자를 사용해 마찰전기 필름의 극성 정도를 변조한 것이다.
이처럼 전하의 극성을 변조해 두 마찰전기 필름 사이의 마찰대전 프로세스 연구에 나선 연구팀은 이를 실험적으로 밝혀내기 위해 마찰전기 나노발전소자를 제작했다. 연구팀이 제작한 마찰전기 나노발전소자는 전기 출력도 크게 높인 것으로 나타났다.
유재수 교수 연구팀은 이종욱 교수 연구팀과 공동연구를 통해 전력관리집적회로(Power Management Integrated Circuit, PMIC)를 마찰전기 나노발전소자 시스템에 통합했다.
이 집적회로는 마찰전기 나노발전소자의 임피던스를 매칭시켜 준다. 임피던스 매칭을 통해 전기가 전송되면서 발생하는 손실을 막아 최대 전력을 전달할 수 있다.
전기 출력을 극대화해 에너지 하베스팅의 효율을 높인 것이다. 연구팀이 180nm 고전압 BCD(Bipolar CMOS DMOS) 공정으로 구현한 집적회로를 통합해 높은 총에너지 전달 효율을 달성했다.
유재수 경희대 교수는 “이번 연구를 통해 마찰전기 전하 극성 변조와 전력 관리 효율성 향상이라는 두 가지 기술을 개발했다. 마찰전기 나노발전소자와 같은 에너지 하베스터의 에너지 변환 효율을 높이는 데 기여할 것으로 기대한다”며 “전력관리집적회로를 통합한 마찰전기 나노발전소자 시스템은 평균 전력 증가와 부하 저항 감소로 이어져 IoT 분야에서 다양하게 응용할 수 있다. 특히 휴대용 전자기기 등 IoT 기반 제품의 자체 전원 공급 장치와 센서에 활용 가능하다”고 말했다.
한편 이번 연구는 2018년 선정된 이공분야 대학중점연구소 사업 ‘융복합 에너지 자율형 다기능 센서 플랫폼 연구’의 지원을 받아 수행했다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
