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체온과 동작 이용해 에너지 만들어낸다
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 1030
  • 일 자 : 2019-09-05


체온과 동작 이용해 에너지 만들어낸다

최원준 교수팀, 차세대 하이브리도 에너지 발전 소자 개발

에너지 분야 세계적 학술지ACS Energy Letter 표지논문으로 선정돼 

 

 

 

제1저자 서병석 연구원,  차영선 연구원, 교신저자 최원준 교수, KIST 김상태 연구원

▲ 제1저자 서병석 연구원,  차영선 연구원, 교신저자 최원준 교수, KIST 김상태 연구원

 

 

고려대 공과대학 기계공학부 최원준 교수팀이 한국과학기술원(KIST) 차세대반도체연구소 김상태 연구원과의 공동연구를 통해 인간의 체온 및 동작을 이용해 에너지를 생성하는 차세대 하이브리드 에너지 발전 소자를 개발했다.

 * 논문명 : Rational Design for Optimizing Hybrid Thermo-triboelectric Generators Targeting Human Activities (ACS Energy Letters, IF=16.331, 오프라인 출간 9월 호 cover 논문으로 선정)

 * 저자 : 고려대학교 기계공학부 최원준 교수(교신저자), 한국과학기술원(KIST) 차세대반도체연구소 김상태 연구원(교신저자), 서병석 학생(제1저자), 차영선 학생(제1저자)

 

□ 이번 연구는 에너지 분야의 세계적 학술지인 ACS Energy Letters에 9월호에 표지 논문으로 선정됐다.

 

□ 태양열이나 인간의 움직임 등 일상생활에서 소멸되는 에너지를 수확하여 활용 가능한 전기에너지로 변환시키는 에너지 하베스팅 기술은 주로 전원 공급 및 주기적인 배터리 교체가 어려운 환경이나 모바일 디바이스의 보조 전력원 등으로 사용되고 있다.  에너지 하베스팅 소자의 발전 성능 및 효율을 높이기 위해 서로 다른 발전 매커니즘을 하나의 소자에 적용하는 하이브리드 소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.  그러나 하이브리드 소자의 경우 서로 다른 에너지원으로부터 전기에너지를 발전하는 형태이기에 에너지 생성 효율 최적화에 대한 보증이 이루어지기 쉽지 않다.

 

□ 특히, 온도차를 이용한 열전(thermoelectric) 발전과 서로 다른 물질의 기계적 마찰을 이용한 정전(triboelectric) 발전의 경우 에너지원이 공급되는 주파수의 측면에서 두 매커니즘 모두 최적의 에너지 생성 효율을 이루기에 매우 어렵다. 

 

□ 그렇기에 이전까지의 연구들은 서로 다른 메카니즘을 단순히 하나의 소자로 합하는 형태로만 진행되어 왔기에 최적의 에너지 생성을 이루기에 한계가 있다. 

 

□ 이에 연구팀은 열전 발전의 에너지원인 열에너지와 정전 발전의 에너지원인 기계적 마찰을 동시에 구현할 수 있는 사람의 피부(체온 + 움직임)를 에너지원으로 하는 열전+정전 하베스팅 소자를 구현하였으며, 외부 환경에 따라 에너지 효율을 최적화 할 수 있는 소자 디자인 전략을 제시했다.

 

□ 소자는 체온 범위에서 우수한 열전 특성을 가지는 Bi2Te3 (Bismuth telluride, 비스무스텔루라이드)와, 사람의 피부와 접촉할 때 우수한 정전 특성을 가지는 PDMS (Polydimethylsiloxane, 폴리디메틸실록산)을 기반으로 제작됐다.

 

□ 사람의 피부가 소자 표면에 접촉할 때, 사람의 체온으로부터 열에너지가 공급되어 열전 발전이 이루어지고, 사람의 피부와 소자의 서로 다른 전자 친화도(electron affinity)에 의해 정전 발전이 이루어지게 된다.

 

□ 특히, 열전 발전의 경우 접촉 시간이 길어지면 소자 내부의 열 포화 (thermal saturation)가 발생하여 에너지 생성 효율에 복합적으로 영향을 미치기 때문에, 에너지 생성 측면에서 접촉 시간을 직접적으로 결정 짓는 주파수는 중요하게 작용하게 된다. 또한 정전 발전의 경우에는 주파수가 클수록 높은 에너지 발전량을 가지게 된다.

 

□ 이에 연구진은 정전 발전의 물질로 사용된 PDMS의 열 전달을 차단시켜주는 단열 특성에 착안하여, Bi2Te3 (열전물질)와 PDMS 간의 계면에서의 열 전달 및 전자 이동 특성을 분석하여 소자 내의 열 전파를 제어함으로써 열전과 정전 발전의 최적화 된 디자인 전략을 수립했다.

 

□ 이러한 내용을 기반으로 주어진 주파수 환경에 따라 최고의 에너지를 생성할 수 있는 소자의 최적 디자인 전략을 제시했다. (주파수 영역 : 0.5 Hz~2.5 Hz)

 

□ 이러한 에너지 생성 최적화 디자인 연구는 제한된 공간에서 높은 에너지 출력을 필요로 하는 IoT (Internet of Things) 디바이스 및 모바일 전자 기기 등에서 하베스팅 소자가 전력원으로 충분한 역할을 수행할 수 있도록 하는 데 기여할 수 있을 것으로 예상된다.  

 

 

사람의 손이 접촉하는 주파수에 따른 열전 및 정전 하이브리드 하베스팅 소자의 에너지 생성 최적화 연구 개략도

<사람의 손이 접촉하는 주파수에 따른 열전 및 정전 하이브리드 하베스팅 소자의 에너지 생성 최적화 연구 개략도>

 

 

 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)