에너지 효율을 획기적으로 높인 '압전壓電에너지 발전 소자素子'를 국내 연구진이 구현함으로써 차세대 친환경 에너지 개발에 한 걸음 다가섰다. 초음파, 미세진동, 혈류, 바람, 조류, 신체움직임 등 주변환경에 존재하는 에너지를 압전효과를 이용해 전기에너지로 변환하는 소자다. 이 연구는 김상우 성균관대 교수(신소재공학부, 성균나노과학기술원)가 주도하고 이근영 박사 과정생(제1 저자), 최덕현 경희대교수(공동교신저자), 종린왕Zhong Lin Wang 미국 조지아텍 교수가 참여했다. 교육과학기술부와 한국연구재단에서 추진하는 선도연구센터지원사업(NCRC)과 미공군협력사업의 지원을 받았으며, 나노 과학분야 권위 있는 학술지《Nano Letters》온라인 속보판에 실렸다. ※ 논문명: P-Type Polymer-Hybridized High-Performance Piezoelectric Nanogenerators.
김상우 교수 연구팀은 유·무기물 하이브리드 구조를 이용해 효율이 높은 '압전 에너지 발전 소자'를 만드는 데 성공하고, 구동 메커니즘을 명쾌하게 규명했다. 현재 전 세계적으로 활발하게 연구 중인 무기물 압전 반도체 물질을 기반으로 한 압전 에너지 발전 소자는 물질 내부에 존재하는 자유 전자로 말미암아 압전 효율이 높지 못한 것으로 알려졌다. 김 교수팀은 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유 전자를 효과적으로 제거해 고효율 압전 에너지 발전 소자를 구현하고자, n형 무기물 압전 반도체 물질(산화아연, ZnO)과 p형 폴리머 물질(P3HT)을 나노 구조로 제어·접합하고, P3HT 내부에 존재하는 정공과 산화아연 내부에 존재하는 자유 전자와의 결합을 유도해 압전효율을 크게 늘렸다. n형 무기물 압전 반도체는 전기 전도 현상을 지배하는 주된 운반체가 정공(Hole)이 아니라 전자(Electron)인 무기물 압전 반도체다.
유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전 소자는 무기물 압전 반도체만 이용한 압전에너지 발전 소자보다 에너지 변환 효율이 36배 이상 높다. 연구팀은 이 결과를 바탕으로 배터리와 같이 외부 전력 공급원 없이 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전 소자만으로 적색, 녹색, 청색 발광 다이오드(LED)를 구현하는 데 성공한 것이다.
에너지 변환 효율, 기존 대비 36배 압전 에너지 발전 소자는 태양 전지, 풍력, 연료전지 등 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세 진동이나 인간의 움직임과 같은 소모성 에너지를 전기 에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 개념의 친환경 에너지 발전 소자다. 자연계에 존재하는 미소 에너지원을 활용할 수 있다. 전 세계적으로 압전 에너지 발전 소자의 출력을 높여 차세대 에너지원으로 응용하려는 실용화 연구가 활발하지만, 출력은 여전히 낮은 상태다. 그 중 무기물 압전 반도체를 기반으로 한 압전 에너지발전 소자의 경우 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유 전자가 기계적 응력에 의해 발생하는 압전 포텐셜을 줄이기에 효율이 떨어지는 것으로 알려졌다.
이 연구는 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유 전자를 효과적으로 제거해 고효율 압전 에너지 발전 소자를 구현하기 위한 효과적인 방법으로, n형 무기물 압전 반도체 물질인 산화아연(ZnO)과 p형 P3HT(Poly(3-hexylthiophene))를 나노 구조로 제어·접합해, P3HT 내부에 존재하는 정공과 산화아연 내부에 존재하는 자유 전자를 결합해 제거하고, 추가로 압전 포텐셜에 의한 유·무기물 계면에서 페르미Fermi 준위(Level)의 변화를 유도해 압전 효율을 크게 높였다. 그뿐만 아니라 출력을 높이고자 전도성 폴리머인 PCBM(phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)과 P3HT를 섞어 압전포텐셜에 의해 전하를 추가 공급하도록 소자를 설계해 압전 출력도 대폭 높였다. 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전 소자는 기존 무기물 압전 반도체만을 이용한 압전 에너지 발전소자보다 0.068% 기계적 응력 하에서 압전 전압과 전류 밀도는 각각 18배(1.45V)와 3배(6.05㎂/㎠) 늘었고, 에너지 변환 효율은 0.5%에서 18%로 36배(0.88W/㎤) 이상 대폭 증가했다. 연구를 주도한 김상우 교수는"차세대 친환경 에너지 소자인 압전 에너지 발전 소자의 실용화 시기를 크게 앞당겨 국내외 에너지 시장에 크게 이바지하기를 기대한다"고 밝혔다.
【Tip】용어 따라 잡기 — 압전 에너지 발전 소자 | 초음파, 미세 진동, 혈류, 바람, 조류, 신체 움직임 등 주변 환경에 존재하는 에너지를 압전 효과를 이용해 전기 에너지로 변환해 주는 소자다. 최근 압전 소재의 나노화를 통해 압전 효율을 대폭 높이고 파괴 없이 크게 변형할 수 있어 기계적으로 매우 안정한 소자를 제작해 고효율 에너지 발전 소자를 구현한다. 자연 에너지만으로 전력을 발생할 수 있어 차세대 그린 에너지 장치로 활용할 수 있다. 일례로 신발 속에 초소형 압전 에너지 발전 소자를 내장하면, 걷거나 뛸 때 생기는 운동에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있다. 또한, 신체 내 혈류의 흐름에 의한 에너지를 전기 에너지로 변환해 심박동 센서 등 바이오 메디컬 장비로도 응용할 수 있다. 압전 효과(Piezoelectric Effect) | 규칙적으로 정렬한 원자 결정에 일정한 방향으로 압력을 가하면, 전기적 분극 현상이 유기되는 전기 유전적 특성이다. 즉 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용으로 압력이나 진동을 가하면 전기가 발생하고 전기를 흘려주면 진동이 발생하는 효과다. 산화아연(ZnO) | 아연 산화물 형태로 반도체 특성을 나타내고, 자외선 영역의 고유한 발광을 하며, 전기적 특성 제어로 디스플레이 소자 및 태양전지의 투명 전극 물질로 사용한다. 또한, 강한 압전 효과를 나타내 최근 압전 에너지 발전 소자 구현을 위한 압전 물질로 응용하려는 연구가 활발하다. P3HT(poly-3-hexylthiophene) | 전도성 폴리머로 p-type 반도체 특성을 나타낸다. 결정성이 높은 고분자로 주로 유기물 태양 전지 활성층Donor 재료 및 광 흡수 물질로 널리 사용한다.
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