제주대 김상재 교수(교신저자)와 미국 조지아텍 왕종린 교수와 이승우 교수, 삼성정밀화학 김영수 박사가 공동으로 참여하고, 박사과정생인 아난다 구말라마도스와 발라스브라 마니암구말이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원)으로 수행되었고, 재료분야 권위학술지인 ACS Nano 온라인판에 3월 26일자 게재되었다. 

     

지금까지의 축전지는 전기의 발전과 저장을 위하여 서로 다른 적용기술과 물리적으로 분리된 장치로 이루어져 있었고, 외부전원에 의한 전기의 공급이 반드시 필요하였다. 연구진은 초고용량 축전지의 양극과 음극사이에 압전성을 가지는 격리막^* 을 설치하여, 압전에 의한 자체발전과 동시에 에너지저장이 가능한 전력소자를 개발하여, 외부의 전력공급 없이도 반영구적인 사용이 가능한 그린에너지원을 확보하였다는 점에서 의미가 매우 크다. 

     

동 성과를 응용하면 기존에 에너지 발전과 저장이 분리된 장치들을 일체화하여 경량화, 소형화 할 수 있을 뿐 아니라 기계적인 외력, 바람이나 조력과 같은 자연적인 움직임에도 자체발전과 동시에 축전이 가능하다. 연구진은 동 자체축전전력소자에 간단한 손바닥 충격만으로도 300초간에 110 밀리볼트(mV)를 축전하여 LED를 밝히는데 성공하였다. 

외부발전기를 별도로 설치하지 않는 작은 크기와 자유자재로 구부릴 수 있는 특성 등 사물인터넷(IoT) 시대 소비자의 다양한 요구에 맞춰 새로운 디자인과 기능을 실현시켜 줄 수 있어, 웨어러블 기기 등 新시장 창출로 정부의 창조경제 구현에도 일조할 수 있을 것으로 기대한다.

김상재 교수는 “본 연구에서 시연한 자체축전전력소자는 별도의 전력발생장치가 없는 고립된 공간에서도 기계 혹은 자연의 작은 힘으로도 전기를 생산 및 저장이 가능한 특성”이 있어, “얇고 경량의 유연하고 웨어러블한 차세대 휴대용 스마트전자기기 뿐만 아니라, 플랫폼을 설치하여 외부전력의 공급이 어려운 재난·재해 발생 지역, 도서산간 지역의 소규모 그린전력원으로 활용이 가능하다.”고 연구의의를 밝혔다.

   

최근 지구온난화와 화석연료의 고갈 등으로 인하여 인류의 생존을 위협하는 에너지수급문제에 직면하고 있다. 이를 극복하기 위한 한 방편으로 연구자들은 지속적이고 클린에너지개발이 가능한 효율적인 에너지 변환과 저장소자의 개발에 전념하고 있으나, 고효율 고성능의 전력저장소자의 개발은 한계에 도달하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 연구팀은 기존의 에너지발전과 저장이 분리된 장치를 일체화 하여 부피와 무게를 최소화 할 뿐만 아니라, 외부전원 없이 기계적인 외력뿐만 아니라 바람이나 조력과 같은 자연적인 움직임에 의하여 자가발전과 동시에 축전이 가능하고, 크기는 작으면서 자유자재로 구부릴 수 있는 특징을 가지고 있는 일체형으로 구성된 에너지수확 (energy harvesting) 과 저장(saving)이 동시에 가능한 신개념의 하이브리드저장시스템의 개발을 시도하였다. 

  

본 연구에서는 양극과 음극재료로 MnO2 나노와이어를 사용하였고, 기계적인에너지를 전기화학적인에너지로 직접 변환하는 압전성을 가지는 PVDF-ZnO박막을 격리막(separator)으로 사용하였다. 또한 압전유도에 의한 자체축전전력장치는 발전기, 축전기 및 출력 제어시스템으로 구성되어 있고, 단순히 손바닥으로 충격을 가하는 기계적인 변형에 의하여 발전 및 축전기능을 확인하였음으로, 풍력, 조력, 파력 등 다양한 움직임을 가지는 장치에 보조전원으로서 활용이 가능함을 실험적으로 확인하였다.

   

이 압전유도 자체축전전력소자는 손바닥충격으로 300초간에 110mV를 축전가능하고, 직렬로 연결된 소자들을 이용하여 LED를 밝히는데 성공하였다. 이 결과는 전극 및 전해질 재료, 격리막의 지속적인 개발을 통하여 자체구동 (self-powered) 유연 하이브리드 전자소자개발의 새로운 분야를 개척하였다고 평가 할 수 있다.  또한, 고성능의 산화환원반응을 가지는 새로운 나노구조의 전극재료 및 고밀도의 다공성 격리막 등의 지속적인 연구개발은 일체형 자체축전전력소자의 성능향상에 의한 상용화가 가능하게 될 것으로 기대된다. 

 

이번 연구결과로 기존의 에너지발생과 저장이 분리된 장치를 일체화 하여 부피와 무게를 최소화 할 뿐만 아니라, 외부전원 없이 기계적인 외력에 의하여 자가 축전이 가능하고 크기는 작으면서 자유자재로 구부릴 수 있는 특징을 가지고 있어, 모바일 기기뿐만 아니라 차세대 웨어러블 전자장치의 전력원으로써 활용이 기대된다. 

    

특히, 별도의 에너지 발생장치 없이 자체구동이 가능한 일체형 축전지를 이용하여 전원과 연결할 수 없는 고립된 공간에서도 안정적․효율적으로 에너지를 저장하거나 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 얇고 경량의 유연에너지저장기술을 필요로 하는 모바일폰, 태블릿, 유연디스플레이, 전자종이, 웨어러블개인장치 및 부착형 의료장치등 지속적인 자가구동전력원을 필요로 하는 착용하거나 유연성이 있는 신개념의 휴대용 스마트전자기기의 개발에도 활용이 가능할 것이다.

     

이 연구개발의 성과는 소비자의 다양한 요구(needs)에 맞춰 자유롭게 디자인할 수 있는 신기능성의 자체축전전력소자로써 외부발전기를 별도로 설치하지 않고도 활용할 수 있어, 기존의 에너지 저장 시장뿐만 아니라 향후 플렉서블웨어러블 전자산업과 같은 新시장 창출로 정부의 ‘창조경제’ 구현에도 일조함은 물론 탄소배출량 제로의 그린 에너지 전력원으로써 에너지 수요의 급격한 증가와 지구 온난화에 따른 환경오염문제를 해결하는데 일조하게 될 것이다.

기존의 전력발전과 저장은 서로 다른 기술과 프로세스를 가지고 있고 물리적으로 별도의 분리된 장치를 가지고 있으나, 이 연구에서는 외부의 전력공급 없이 압전에 의해 유도된 자가발전 및 에너지저장이 동시에 가능한 자체축전전력소자를 구현하였습니다. 

본 연구에서 시연한 축전지는 별도의 에너지 발생장치가 없는 고립된 공간에서도 반영구적으로 전기를 저장하거나 공급할 수 있음으로, 얇고 경량의 유연성을 가지는 웨어러블 기기 등 차세대 휴대용 스마트전자기기에 적용 할 수 있을 뿐 만 아니라 전기를 공급할 수 없는 소외된 지역의 소규모 그린전력원으로써도 활용이 가능한 장점을 가지고 있습니다.

해당분야는 기술의 도입기에 해당하므로 원천기술 확보가 우선시 되어야 하고, 실용화를 위해서는 자체축전전력소자의 성능 및 효율의 향상을 위한 장기적인 안목의 지원과 지속적인 연구개발이 필요합니다. 향후 3 년간의 연구개발 성과 여부에 따라 상용화여부가 결정될 것으로 판단됩니다.

고성능의 산화환원반응을 가지는 새로운 나노구조의 전극재료 및 고밀도의 다공성 격리막 등의 연구개발이 필요하고, 자체구동발전 대비 저장의 효율 및 성능의 향상여부가 실용화를 위하 주요과제입니다.

제주도에서 근무하다 보니, 지리적으로 격리되고 고립된 지역의 전력공급을 위한 외부전원이 필요 없고 바람이나 조력, 파력 등의 자연환경을 이용하여 위하여 에너지발생 및 저장이 가능한 방법을 모색한 것이 계기가 되었고, 기존 연구와는 차별화된 새로운 에너지 발생 및 저장방법에 대한 아이디어를 자체축전전력소자의 개발에 적용하게 되었습니다.

고성능의 자체축전전력소자의 개량 및 상용화 통하여 지역 및 사회에 공헌하고 먹거리를 창출할 수 있는 가시적인 성과를 도출하였으면 합니다.

 1. 게재저널 소개 

  

ACS Nano: 미국화학회가  한 달 주기로 발행하는 나노 분야 국제적 권위저널지 (2013년 기준 영향력지수 12.033) 

 

  

압전체(piezoelectric materials): 기계적 일그러짐을 가함으로써 유전 분극을 일으키는 현상을 가지는 재료.

 

초고용량 축전지(supercapacitor): 전극과 전해질의 계면에서의 전기화학적 반응에 의해서 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자로써, 리튬이차전지에 비해서 높은 전력밀도, 빠른 충·방전 속도 및 장기안정성의 장점을 가지고 있다. 

격리막(separator) : 축전지의 양극과 음극 사이에 넣는 분리판. 두 전극이 접촉하는 것을 막고, 전류는 통하지만 불순물이 두 전극을 단락하는 것을 방지하는 역할을 한다. 

 

그림 1. 자체축전전력소자의 모식도(좌) 및 작동원리도(우)

               [ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.5b00759] 

(a) 제조된 압전유도에 의한 자체축전전력소자의 모식도(좌). 알루미늄호일위에 MnO2나노와이어가 양극 및 음극의 전극재료로 사용되었고, PVDF-ZnO박막이 격리막으로 사용되었음. 특히 젤형(gel-type)의 폴리머(PVA-H3PO4)를 전해질로 사용하여 격리막의 역할도 동시에 하도록 설계되었음  

(b) 기계적인 변형에 의해 구동되는 자체축전전력소자의 구동원리 모식도(우). 기계적인 변형에 의해 격리막에 압전기장이 발생하면 H+ 이온이 전해질속의 PVDF-ZnO 격리막을 통하여 음극으로 이동하게 되고, 양극과 음극에서는 이에 상응하는 축전반응을 주도하게 됨. ()        

      

그림 2. 자체축전전력소자에 사용된 PVDF-ZnO 격리막의 재료물성 및 전류전압 출력         특성.  [ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.5b00759]

(a) FT-IR 스펙트럼 과 (b) PVDF-ZnO 격리막의 FE-SEM 사진. PVDF의 β 상과 ZnO의 stretching vibrations이 표기되었음. 

(c) PVDF-ZnO 격리막에서 측정된 개회로전압과 (d) 폐회로전류를 표시하였음. 삽입도는 제작한 PVDF-ZnO나노발전기의 사진을 보여주고 있음. 평균발생전압은 5V이고 전류는 2µA 정도임. 출력전압과 전류의 값이 일정하지 않은 것은 다른 압축변형의 크기에 따른 것임.    

그림 3. 전기화학실험장치를 사용하여 주기적인 압축변형을 가한상태에서 측정한 압전          유도에 의한 자체축전전력소자의 성능시험결과.

                    [ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.5b00759]

 (a) 손바닥 충격에 의한 자체축전전력소자의 축전과정. 압축변형이 가해지면 축전전압이 증가되는 것은 이온의 이동에 의해 축전프로세스가 일어나는 것을 의미함. 

 (b) 웨어러블 기기 및 유연전자소자의 적용을 위하여 직물전극을 이용하여 제작한 자체축전전력소자의 축전과정. 

 (c) 압축변형의 유무에 의한 자체축전전력소자의 반복시험성능결과. 압축변형하에서는 축전전압이 증가하고, 없는 상태에서는 전압이 유지되는 것을 확인 할 수 있음. 

 (d) 주기적인 외부 압축변형에 의한 자체축전전력소자의 자가충전 및 방전 주기실험결과를 보여주고 있음. 방전실험전류는 10 μA 임.

그림 4. 직렬로 연결된 자체축전전력소자의 성능시험결과 

                   [ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.5b00759]

(a) 5개가 직렬로 연결된 자체축전전력소자의 축전실험결과. 손바닥의 충격을 사용하여 주기적인 압축변형이 동시에 가하였음. 삽입사진은 실물소자임. 

(b) 5개가 직렬로 연결된 자체축전전력소자에 각각 60초 간격으로 압축변형을 가하였을 경우에 측정한 실험결과. 삽입도는 직렬연결의 회로도임.