웨어러블기기에 전력을 공급하는 방식으로 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 하베스팅기술이 대표적이다.
하세브팅기술의 전기 생산은 주로 압력으로 전력을 생산하는 압전이나 마찰전기를 이용한다.
그러나 압전 나노발전이나 마찰전기 나노발전은 순간적인 고전력을 발생시키지만 높은 내부저항 때문에 전류 공급이 짧은 단점이 있다.
때문에 최근에는 전기 이중층을 활용한 전기화학적 방법을 활용한 하베스팅기술이 주목받고 있다.
이는 물, 땀, 비 등 다양한 환경에서 전기를 수확할 수 있고, 내부저항이 낮아 효율이 높은 것이 장점이다. 하지만 출력전압이 낮아 전력성능에 한계가 있다.
적은 움직임으로 안정적인 전력 공급
KAIST가 신소재공학과 서동화 교수팀이 싱가포르 난양공대(NTU) 전자공학과 이석우 교수팀이 공동연구로 기존 대비 10배 높은 출력과 100초 이상 지속되는 전류를 생산하는 전기화학적 에너지 수확방법을 개발했다.
이에 따라 일상적인 움직임으로도 효율적인 전력 생산이 가능해 웨어러블기기 자가충전 등 에너지공급 방법이 크게 개선될 전망이다.
연구진이 개발한 방식은 물과 이온성 액체전해질에 전극을 각각 담가 이온의 이동으로 발생하는 전기적 위치에너지(전위치)를 이용해 전력을 수확하는 것이 특징이다.
이는 수용액과 이온성액체처럼 서로 섞이지 않는 두 전해질과 프러시안블루 유사체(CuHCFe) 전극을 이용한 새로운 에너지 하베스팅기술이다.
연구진은 이온이 전해질과 전극 계면에서 산화·환원 반응으로 에너지를 발생하는 원리를 이해하기 위해 제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다.
제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션은 양자역학으로 전자의 거동을 계산, 원자 사이의 상호작용을 구해 시간에 따른 원자 움직임을 예측한다.
실험 결과 이온이 각 전해질 주변 용매와 상호작용하는 방식과 전해질 환경에 따른 전극 내부에서 주변 상호작용 에너지가 다르게 나타남을 확인했다.
이를 통해 종합적인 상호작용이 에너지 차이를 발생시키며, 전해질 간 전위 차이를 설명하는 원리를 제시했다.
연구진은 이 시스템을 직렬로 연결하면 출력 전압을 크게 높일 수 있음을 확인, 계산기를 작동시킬 수 있는 935㎷ 생성에 성공했다.
이를 안정적으로 공급하면 저전압기기나 웨어러블디바이스를 작동시킬 수 있다.
특히 이 기술은 물리적 마모가 없어 장시간 안정적으로 작동할 수 있기 때문에 사물인터넷(IoT) 기기에도 적용 가능하다.
서 교수는 "이번 연구는 일상적 움직임, 저주파 운동에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있는 것이 핵심”이라며 "시뮬레이션과 실험의 협업으로 에너지 수확 원리를 깊이 이해함으로써 설계 가이드라인을 도출, 상용화 가능성을 크게 높였다”고 말했다.
이번 연구는 송유엽 KAIST 신소재공학과 박사과정과 이동훈 난양공대 전자공학과 박사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션 지난 10월 19일자 온라인으로 출판됐다. (논문명 : Electrochemical kinetic energy harvesting mediated by ion solvation switching in two-immiscible liquid electrolyte)
한편, 이번 연구과정은 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업, 중견연구사업의 지원을 받았고, 한국과학기술정보연구원(KIST)0의 슈퍼컴퓨터를 활용해 수행됐다.
