경북대학교 공과대학.
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떨어지는 물방울 힘으로 전기 생산 가능한 고효율 플렉시블 압전소자 개발
- 2022-05-09 09:38
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경북대 신소재공학부 박귀일 교수팀이 유기·무기 복합소재의 계면 효과를 이용해 고효율의 플렉시블 압전소자를 개발했다. 개발된 압전소자는 물방울이 떨어지는 작은 힘으로 상용 커패시터(에너지저장장치)를 충전할 수 있는 충분한 수준의 전력을 생성했다.
압전소자는 누르는 힘 같은 기계적 에너지를 이용하여 전기신호를 생성하는 장치다. 가볍고 소형화가 가능하며, 반영구적으로 전기 생산이 가능해 저전력 전자장치의 전력공급원과 자가발전센서로 주목받고 있다.
기존의 압전소자는 티탄산지르콘산염 또는 티탄산바륨과 같은 세라믹 계열의 무기소재를 이용해 주로 제작됐다. 최근에는 유연하고 경량화된 소재 개발을 위해 폴리머 계열 유기소재 사용이 증가하고 있다.
압전소자 성능 향상을 위해서는 고전압을 인가해 무작위로 정렬된 쌍극자를 일정한 방향으로 정렬하는 폴링공정을 실시해야 한다. 이러한 폴링공정은 높은 에너지 소비 공정으로 상용화 가능성을 저해하는 요소로 여겨지고 있다.
박귀일 교수팀은 압전폴리머와 티탄산바륨으로 구성된 유기·무기 복합소재의 계면에서의 쌍극자가 압전폴리머 영역의 쌍극자보다 더 낮은 전압에서 빠르게 재배향되는 것을 확인했다. 이러한 폴링 효율 향상 효과를 바탕으로 기존 압전폴리머 기반 압전소자 대비 절반 수준의 전기장에서 성능이 극대화되는 압전소자를 개발했다.
박귀일 교수는 “유기·무기소재의 계면효과를 이용해 압전복합소재의 폴링 효율 극대화를 실험적으로 입증했다. 이번 연구는 고성능 플렉시블 압전소자 개발을 위한 저에너지 소비 방안을 제공할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단(중견연구, 기초연구실)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 나노소재·에너지 분야 저명 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy’ 4월 8일 온라인판에 게재됐다. 교신저자는 박귀일 교수, 제1저자는 김연규 씨(경북대 석사 졸업, 현 카이스트 박사과정생)다.
압전소자는 누르는 힘 같은 기계적 에너지를 이용하여 전기신호를 생성하는 장치다. 가볍고 소형화가 가능하며, 반영구적으로 전기 생산이 가능해 저전력 전자장치의 전력공급원과 자가발전센서로 주목받고 있다.
기존의 압전소자는 티탄산지르콘산염 또는 티탄산바륨과 같은 세라믹 계열의 무기소재를 이용해 주로 제작됐다. 최근에는 유연하고 경량화된 소재 개발을 위해 폴리머 계열 유기소재 사용이 증가하고 있다.
압전소자 성능 향상을 위해서는 고전압을 인가해 무작위로 정렬된 쌍극자를 일정한 방향으로 정렬하는 폴링공정을 실시해야 한다. 이러한 폴링공정은 높은 에너지 소비 공정으로 상용화 가능성을 저해하는 요소로 여겨지고 있다.
박귀일 교수팀은 압전폴리머와 티탄산바륨으로 구성된 유기·무기 복합소재의 계면에서의 쌍극자가 압전폴리머 영역의 쌍극자보다 더 낮은 전압에서 빠르게 재배향되는 것을 확인했다. 이러한 폴링 효율 향상 효과를 바탕으로 기존 압전폴리머 기반 압전소자 대비 절반 수준의 전기장에서 성능이 극대화되는 압전소자를 개발했다.
박귀일 교수는 “유기·무기소재의 계면효과를 이용해 압전복합소재의 폴링 효율 극대화를 실험적으로 입증했다. 이번 연구는 고성능 플렉시블 압전소자 개발을 위한 저에너지 소비 방안을 제공할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단(중견연구, 기초연구실)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 나노소재·에너지 분야 저명 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy’ 4월 8일 온라인판에 게재됐다. 교신저자는 박귀일 교수, 제1저자는 김연규 씨(경북대 석사 졸업, 현 카이스트 박사과정생)다.
