2025~2021 전자공학과 유재수 교수 연구팀, 에너지 하베스터 성과 연이어 도출

작성일 2024-06-26

전자공학과 유재수 교수 연구팀이 에너지 하베스팅 분야에서 중요한 연구 성과를 연달아 발표했다.

하이브리드 에너지 하베스터, 통합 에너지저장 회로/감지 시스템 응용 구현해
“에너지 하베스팅과 센싱 플랫폼 기술의 이정표 제시”

전자공학과 유재수 교수 연구팀이 에너지 하베스팅 분야에서 중요한 연구 성과를 연달아 발표했다. 유재수 교수 연구팀은 고강유전성/유전상수 충전재를 개발해 고성능 에너지 수확을 위한 유연한 압전/마찰전기 폴리머로 개선하는 방법을 밝혀 에너지 수확 효율성을 높였다. 또한 통합 에너지 저장 회로/침입자 감지 플랫폼 및 자체 전원 계단 감지 센서/비상 이메일 알림 시스템을 구현했다. 두 연구 결과는 세계적인 학술지 ＜Advanced Functional Materials＞(IF: 19)에 각각 최근 게재됐고, 전자정보융합공학과 박사과정 Anand Kurakula와 석박사통합과정 Punnarao Manchi 학생이 제1저자로 연구에 참여했다.

배터리 대신할 웨어러블 전자기기 전원 공급 장치 개발
최근 웨어러블 전자기기가 빠르게 발전하며 이를 보조할 전원 공급 장치가 중요해지고 있다. 현재 배터리로 웨어러블 전자기기의 전원을 공급하고 있지만 높은 비용과 유연성 부족, 지속 불가능성 등의 제약으로 한계가 존재한다. 웨어러블 기기의 확산을 위해선 배터리를 대체할 새로운 전원 공급 장치가 필요한 이유다.

유재수 교수 연구팀은 대체 전원 장치로 압전효과와 마찰전기효과를 결합한 하이브리드 에너지 하베스팅 장치를 개발했다. 이 소자는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 마찰대전 및 정전기 유도 원리에 따라 에너지 변환 메커니즘이 작동한다. 복합필름의 유전성이 높아질수록 소자의 전기적 성능도 높아진다. 합성된 티탄산알루미늄 마이크로 입자가 로딩된 유연 PGA (poly-glucosamine) 복합필름/PDMS (polydimethylsiloxane) 기반 하이브리드 에너지 하베스터를 개발했다. 또한 유전상수가 높은 압전/강유전성 Nb도핑된 비스무트 티탄산염 플레이트 PVDF-HFP (poly(vinylidene fluoride-co hexafluoropropylene) 폴리머 복합필름 소자를 제작했다. 유재수 교수는 “이 기술은 간단하면서도 낮은 비용이 소모돼 기술적 가치를 지닌다”고 설명했다.

연구팀은 또한 하이브리드 하베스터를 에너지저장 회로에 통합해 안정적인 직류 전력을 생성했다. 이는 에너지를 수확하는 한편 센서로도 활용될 수 있다. 센서로 응용되려면 응답 시간이 중요한데, 이 센서는 빠른 응답 시간을 기록했다.

그림설명. 하이브리드 나노발전 소자의 에너지 수확 및 통합 에너지 저장 회로, 탭 정지 표시 및 침입자 감지 플랫폼 응용

다기능 고효율 웨어러블 하이브리드 에너지 하베스터 개발 노력
유재수 교수 연구팀은 센서로의 활용을 입증하기 위해 침입자 감지 플랫폼 모듈을 개발했다. 사람이 계단을 걷는 동안 하이브리드 하베스터에서 생성된 에너지는 에너지저장 장치에 동시에 저장될 수 있으며, 스마트홈이나 빌딩의 계단 감지 시스템에 활용되며 사람의 존재를 감지해 계단 조명을 켜거나 긴급 상황일 경우 WiFi를 통해 이메일로 알림을 보낼 수 있다.

이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 대학중점연구소 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 유재수 교수 연구팀은 하이브리드 에너지 하베스터의 출력 성능 개선, 환경 친화성, 에너지 위기 지원, 일상생활에서의 실용적인 전력 관리와 실시간 센싱 플랫폼 응용 및 개선에 중점을 두고 있다. 유재수 교수는 “이번 연구로 에너지 수확 기술과 센싱 플랫폼 기술의 중요한 이정표를 제시했다”며 “향후 다양한 휴대용 전자기기에 전력을 공급하는 다기능 고효율 웨어러블 하이브리드 에너지 하베스터 개발을 위해 노력할 것”이라고 말했다.

유재수 교수는 “향후 다양한 휴대용 전자기기에 전력을 공급하는 다기능 고효율 웨어러블 하이브리드 에너지 하베스터 개발을 위해 노력할 것”이라고 말했다.