KAIST "일상적 움직임으로 웨어러블 기기 충전한다"

NTU와 공동 연구 '10배 높은 출력·100초 지속' 전류 생성

에너지 설계 가이드라인 제시, 네이처 커뮤니케이션 게재

[대전=뉴시스] 섞이지 않는 두 전해질에서 전기에너지 생성 및 원리 규명도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 외국 대학과 손잡고 운동에너지를 전기에너지로 효율적으로 변환해 웨어러블 기기의 자가충전이 가능케 하는 새로운 방법을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 서동화 교수팀이 싱가포르 난양공대(NTU) 전자공학과 이석우 교수팀과 국제공동연구를 통해 새로운 전기화학적 에너지 수확 방법을 개발했다고 10일 밝혔다.

이를 통애 공동연구진은 기존 기술 대비 10배 높은 출력과 100초 이상 지속되는 전류 생성에 성공했다.

운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 보통압전(Piezo-electric)과 마찰전기(Tribo-electric) 방식은 순간적인 고전력 발생이 가능하지만 내부 저항이 높기 때문에 전류가 짧게 흐르는 한계가 있다.

이번에 연구진은 물과 이온성 액체전해질에 전극을 각각 담가 이온의 이동으로 발생하는 전위차(전기적 위치에너지)를 이용해 전력을 수확하는 새로운 방식을 개발했다.

이어 '제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션'을 수행해 이온이 전해질과 전극계면에서 산화·환원반응을 통해 에너지를 발생시키는 과정을 연구했다.

제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션은 양자역학법칙을 사용해 전자들의 거동을 계산하는 것으로 원자들 사이의 상호작용을 계산해 시간에 따른 원자들의 움직임을 예측하는 원리다.

연구 결과, 이온이 각 전해질에서 주변 용매와 상호작용하는 방식과 전해질 환경에 따른 전극 내부에서의 주변 상호작용 에너지가 상호 다르게 나타는 게 확인됐다.

연구진은 이런 종합적인 상호작용이 에너지 차이를 발생시킨다는 사실을 확인하고 전해질 간 전위 차이를 설명하는 원리를 규명했다.

또 연구진은 이 시스템을 여러개 직렬로 연결하면 출력 전압을 크게 높일 수 있다는 것도 확인했다. 그 결과 계산기를 작동시킬 수 있을 정도인 935㎹의 전압을 달성했으며 이는 저전압 기기나 웨어러블 디바이스와 같은 장치에 적용 가능한 전압이다.

특히 물리적 마모없이 장시간 안정적으로 작동할 수 있어 이 기술은 사물인터넷(IoT) 기기나 자가 충전형 전자기기에 실용적으로 적용될 가능성이 높은 것으로 기대된다.

이번 연구는 이동훈 난양공대 전자공학과 박사과정, 송유엽 KAIST 신소재공학과 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했으며 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션에 지난 10월 19일자로 온라인 출판됐다.(논문명 : Electrochemical kinetic energy harvesting mediated by ion solvation switching in two-immiscible liquid electrolyte)

KAIST 서동화 교수는 "이번 연구의 핵심은 일상적인 움직임, 즉 저주파 운동에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있다는 점"이라며 "시뮬레이션과 실험을 통해 에너지 수확 원리를 깊이 이해할 수 있게 돼 설계 가이드라인을 도출할 수 있었고 이는 상용화 가능성을 크게 높였다"고 말했다.


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