한국연구재단(이사장 노정혜)은 조성범 한국세라믹기술원 박사와 방창현 성균관대학교 교수 연구팀이 머리카락을 닮은 나노구조물을 이용해 마찰전기 에너지를 얻을 때 효율을 높일 수 있는 소자를 디자인했다고 13일 밝혔다.

웨어러블 헬스케어 등 다양한 저전력 전자기기에 대한 관심이 높아지는 가운데 자연적으로 발생하는 태양광이나 진동, 열, 바람 등 일상에서 버려지는 자투리 에너지를 수확해 전원으로 활용하기 위한 에너지 하베스팅(energy Harvesting)에 대한 관심이 높다. 이에 따라 물체의 접촉에서 생기는 마찰전기를 이용하는 나노발전기 역시 높은 접근성과 효율로 주목된다.

그러나 기존에는 수평방향이나 회전하는 움직임을 이용하려면 소자 자체의 구조를 바꿔야 했고 특정 방향(접촉면의 수직방향)의 움직임에만 반응해 효율을 높이는데 한계가 있었다.

연구팀은 모든 방향의 움직임을 수직 방향으로 바꿔주는 머리카락 모양의 나노구조물을 기존 마찰전기 소자 위에 부착하는 방식을 제안했다. 머리카락 모양의 작은 구조물이 마치 기차 선로전환기 역할을 해 버려지는 것 없이 모든 방향의 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있도록 했다.

실제 연구팀이 만든 소자를 옷감에 부착한 결과 지폐를 팽팽하게 편 것의 1/5의 힘에 불과한 0.2파스칼(pa) 이하의 아주 적은 수평방향 압력에도 반응하는 것을 확인했다. 또 옷깃이 흔들릴 정도의 아주 작은 바람에도 마찰 전기를 유도할 정도의 에너지 수확효율이 향상됐다.

연구팀은 시뮬레이션을 통해 머리카락 모양의 구조체에 형성되는 반복적인 응력 분포의 집중-분산이 수평방향의 힘을 수직방향으로 변환시킨다는 사실도 확인했다.

연구팀은 "이번 성과는 초소형 IoT 기기, 생체삽입형 소자의 전원 공급 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공한 것"이라면서 "실제 쉽게 충전할 수 있는 기기의 상용화도 앞당길 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구사업(기초연구)의 지원을 통해 수행됐다. 성과는 어드밴스드 머티리얼즈에 13일 표지논문(프린트판)으로 게재됐다.