기존 압전 소재에는 인체에 유해한 납 성분 포함
운동 자세 판별 정확도 99.63%
(내외방송=정지원 과학전문 기자) 신체 움직임처럼 물리 에너지원를 생체친화적인 방법을 통해 전기 에너지로 전환시키는 기술이 개발돼 앞으로 자가발전 시스템 연구가 더욱 활발해질 전망이다.
DGIST(대구경북과학기술원)는 10일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "김회준 로봇및기계전자공학과 교수와 홍선기 화학물리학과 교수 공동 연구팀이 생체친화적인 페로브스카이트(광물의 한 종류로 태양전지에 많이 활용됨) 소재를 활용한 '고효율 압전(경정체가 외부 힘을 받아 비틀림이 생기면 전압이 발생하는 현상) 에너지 하베스팅(자연 발생 에너지를 전기 에너지로 전환) 기술'을 개발했다"고 밝혔다.
'압전 에너지 하베스팅 기술'은 신체의 움직임을 예로 들 수 있는 물리 에너지원을 전기 에너지로 전환시키는 기술로써 높은 에너지 효율과 활용성 덕분에 차세대 에너지원으로 꼽히고 있다.
하지만, 대부분 기존 압전 소재들은 인체에 유해한 납 성분을 포함하고 있어 인체에 활용하지 못한다는 문제가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해서 인체에 적용 가능한 생체적합성 소재 중 우수한 압전성을 띤 CTO 소재를 합성해 다양한 특성을 분석했다.
또, 압전 폴리머(고분자 화합물)인 PVDF 소재와 혼합해 유연하고 외부 충격에 강한 복합소재를 개발하는 데 성공했다.
개발된 복합소재는 높은 세포 생존율과 번식력을 보여 인체에 적용해도 문제가 나타나지 않는다는 것이 확인됐다.
이 소재는 최대 전압 20V, 전류는 250nA를 달성해 전자계산기나 손목시계처럼 소형 전자기기의 전력원으로 활용될 수 있다.
물체의 진동에서 발생하는 운동 에너지를 수확해 자가발전 진동 센서로 응용하는 것도 가능해 앞으로 더 폭넓은 범위에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
실제로 신체 부위에 부착하고, 줄넘기 운동 등 움직임을 통해 에너지를 얻어 인공신경 회로망으로 분석한 결과 99.63%의 성공률로 운동 자세의 옳고 그름을 판별할 수 있었다.
김 교수는 "생체친화적인 소재에도 우수한 압전 특성이 존재한다는 것을 증명했으며 이를 통해 기존 재료의 한계를 뛰어넘을 수 있다는 것이 큰 의미가 있다"고 말했다.
인도와 호주, 태국 연구진이 함께 참여하고, 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이 연구는 에너지 분야 국제 과학 저널인 '나노 에너지(Nano Energy)'에 이번달 호로 게재됐다(논문명: Biocompatible CaTiO3-PVDF composite-based piezoelectric nanogenerator for exercise evaluation and energy harvesting).
