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잉크젯 프린팅 기술을 이용한 '플렉서블 압전발전소자' 개발

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등록 2017-11-14 16:05:21
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【진주=뉴시스】정경규 기자 = 경남 진주 경남과학기술대학교 박귀일 교수.2017.11.14.(사진=경남과기대 제공) photo@newsis.com

경남과기대 박귀일 연구팀 “상용가능한 압전발전소자 기술 개발”

【진주=뉴시스】정경규 기자 = 간단한 잉크젯 프린팅 기술을 이용해 외부 진동 및 굽힘과 같은 기계적·변형으로부터 전기를 생성할 수 있는 상용가능한 플렉서블 압전발전소자가 세계 최초로 개발됐다.

경남 진주 경남과학기술대학교 에너지공학과 박귀일 교수 연구팀은 14일 고효율 압전 나노소재를 유연한 플라스틱 기판에 직접 코팅할 수 있는 기술을 개발하고 이를 이용해 휘어질 때마다 전기를 스스로 생산하는 에너지 생성소자인 플렉서블 압전발전소자를 개발해 에너지분야 세계적 학술지인 '나노 에너지(Nano Energy)' 11월호에 게재됐다고 밝혔다.

플렉서블 압전발전소자는 외부 압력 및 굽힘 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기를 생성하는 압전효과를 이용한 에너지 생성 소자로써 아무런 제한없이 언제 어디서나 공급될 수 있는 기계적 힘을 이용해 에너지를 생성한다는 것이 다른 신재생 에너지 소자들과의 차별성이자 장점이다.

또한 얇은 플라스틱 기판을 이용해 제작된 플렉서블 압전발전소자는 인체에 부착이 가능하며 사람이 활동할 때 발생되는 신체 움직임, 심장박동 등과 같은 미세한 움직임들도 전기에너지로 변환할 만큼 민감도가 높기 때문에 언제 어디서나 전력원으로 사용할 수 있는 웨어러블 자가발전 에너지 생성소자로 알려져 있다.

기존에 보고된 플렉서블 압전발전소자 제작기술은 다양한 소재와 소자구조를 통해 발전효율을 증가시키고 있지만 고온 열처리 후 플라스틱 기판으로 전사해야 하는 복잡하고 시간 소모가 큰 공정이 요구되고 대면적으로 제작이 어렵다는 한계, 고가의 소자제작 공정비용으로 인해 상용화 기술로써는 부적합하다는 지적을 받아왔다.

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【진주=뉴시스】정경규 기자 = 압전나노입자가 분산된 용액(잉크)를 잉크젯 공정을 이용해 플라스틱 기판에 코팅하는 과정을 표현한 그림.2017.11.14.(사진=경남과기대 제공) photo@newsis.com

특히 세라믹 압전소재는 압전효과를 나타내기 위해 최소 600도 이상에서 열처리가 필요하므로 플렉서블 압전발전소자 제작을 위해서는 고온공정 및 전사공정이 필요하다.

이번 연구에서는 간단한 잉크젯 프린팅 기술을 사용해 150nm(나노미터)의 아주 작은 압전입자가 분산된 잉크(ink)와 유기물을 플라스틱 기판에 차례로 도포해 대면적 형태의 유기-무기 하이브리드 압전후막을 제조했다.

연구팀은 고온공정 및 전사공정 없이 잉크젯 프린팅 공정만으로 얇은 플라스틱 기판 상에서 고효율 하이브리드 압전후막은 물론 상·하부 전극막을 구현함으로써 구부러질 때마다 약 7V의 전압과 3μA의 전류를 생성하는 플렉서블 압전발전소자를 개발했다.

이번연구의 공동 교신저자인 성균관대학교 김종희 박사는 “세라믹 고유 특성을 유지하면서 높은 유연성과 가공성 등 유기 소재의 장점을 부여한 새로운 잉크젯 프린팅 소재다”고 말했다.

박귀일 교수는 "잉크젯 프린팅 기술은 유기-무기 압전소재 뿐만 아니라 전극소재도 코팅이 가능하다. 이처럼 단일 공정을 통해 대면적 플렉서블 압전발전소자를 개발한 것은 세계 최초이며 기존에 보고된 제작기술들의 기술적 한계를 극복한 기술이다”고 말했다.

또 “잉크젯 프린팅 기술은 원하는 형태로 특정 영역에 코팅이 가능하므로 플렉서블 압전발전소자 분야 뿐만 아니라 플렉서블 반도체, 배터리 및 센서 등의 분야로 적용이 가능한 기술이다”고 덧붙였다.

 jkgyu@newsis.com
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