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정전기 활용한 에너지 하베스팅 기술, IoT 차세대 전력원으로 주목KIST 연구진, 간단한 공정으로 고출력 스펀지 나노발전기 개발
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[IT비즈뉴스 김진수 기자] 버려지는 에너지를 활용하는 전력수확기(에너지 하베스팅)에 대한 관심이 높아지고 있다. 에너지 하베스팅(Energy harvesting)은 자립형 에너지원으로 배터리 없이 전원을 공급하는 기술을 말한다.

반도체 미세공정기술이 발전하면서 수십나노와트(nW)의 적은 전력만으로도 구동이 가능한 IoT 시스템이 개발되면서 배터리 없이 반영구적으로 사용할 수 있는 센서나 웨어러블 디바이스에 적용되는 차세대 전력원으로 주목받고 있다.

11일 한국과학기술원(KIST)에 따르면, 전자재료연구단 송현철 박사, 강종윤 단장 연구팀이 정전기를 이용해 실제 전자기기에 사용할 수 있는 전기를 생산하는 스펀지 형태의 고내구성·고출력 나노발전기를 개발했다.

KIST 연구진은 증기의 열운동 에너지를 이용해 다공성 구조체를 제작하는 기술인 ‘증기캡슐공정(Vapor Capsulation Casting)’을 이용해 물과 실리콘(PDMS)으로 미세기공을 갖는 실리콘 스펀지를 짧은 시간 내에 간단히 제작할 수 있는 방법을 개발했다.

형성된 미세 기공이 전체 표면적과 정전용량을 높이면서 정전기 발생량을 증가시키는 것을 확인한 연구진은 이를 활용, 정전기 나노발전기를 개발했다. 연구진은 개발한 나노발전기를 사용해 실제 실내온도와 위치를 파악하는 블루투스 무선 센서를 구동하는 데 성공했다고 밝혔다.

(왼쪽부터) KIST 송현철 박사(선임연구원), KIST 강종윤 전자재료연구단장(책임연구원) [사진=KIST]

연구진은 그간 구조가 복잡해 제작이 어려웠던 나노발전기의 제작 시간, 비용을 단축시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

그간 나노발전기를 제작하기 위해서는 복잡하고 어려운 공정을 통해 계층적 나노구조(Hierarchical Nanostructures)를 활용해왔다. 연구진이 이번 연구에 물과 실리콘만을 활용, 소재 개발에 성공하면서 향후 나노발전기 실용화에 기여할 것으로 기대된다.

연구를 주도한 KIST 송현철 선임연구원은 “이번 연구결과로 간단한 공정을 이용해 다공성 구조를 제작했다는 데 큰 의의가 있다”며 “기존의 에너지 하베스팅 발전기 대비 가격과 성능, 내구성 면에서 높은 경쟁력을 갖출 수 있을 것”이라고 연구의의를 설명했다.

KIST 강종윤 책임연구원(전자재료연구단장)은 “현재 다양한 에너지 하베스팅 기술을 개발 중에 있다. 이번 연구결과로 인해 다양한 환경에서 센서 네트워크의 자가발전을 위한 핵심적 역할을 수행할 수 있기를 기대한다”고 소감을 밝혔다.

최근 10년간 에너지 하베스팅 기술 특허출원 현황 [특허청 자료인용]

◆차세대 에너지원으로 주목, 특허출원도 증가세
에너지 하베스팅이 차세대 전력원으로 주목받으면서 관련 기술의 특허출원도 크게 늘고 있다. 

특허청 자료에 따르면, 최근 10년간 에너지 하베스팅 기술 특허출원은 총 1370건이다. 압력(508건), 진동(356건), 정전기(247건), 열(148건), 자기장(110건)을 활용했다.

그간 출원량이 적었던 정전기(2.7%), 자기장(4%)을 활용한 특허출원은 각각 41%, 15%로 크게 늘었다. 이는 극히 미비한 전력만으로도 구동이 가능한 전자제어 시스템이 개발되면서 주위에서 쉽게 확보 가능한 정전기, 자기장을 활용하고 있는 것으로 보인다. 

특히 웨어러블 단말의 보급화기 이뤄진 점, 또 의류, 신체에 부착시켜 손쉽게 발생시킬 수 있는 정전기를 활용하는 추세가 많아진 것으로 보인다.

김진수 기자  embe@itbiznews.com

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