월간전기



[신기술]IoT 무선 센서와 체내이식 의료기기를 위한 전원

2019-09-01

IoT 무선 센서와 체내이식 의료기기를 위한 전원 초박막 열전소재 & 마찰전기 발전소자 4차 산업혁명을 이끄는 디지털 혁신의 중심인 사물 인터넷(IoT)을 구현하기 위해서는 무선 센서 네트워크 기술이 필요하다. 이들 무선 센서는 배터리를 전원으로 사용하고 있어 설치한 후 지속적인 관리가 필요하다. 그러나 ‘자율 독립전원’으로 무 선 센서를 구동할 수 있다면 사정이 달라질 수 있다. 또한 자율 독립전원은 인체에 이식하는 의료기기의 전원으로도 활용 될 수 있다. 이러한 자율 독립전원의 요소기술로 에너지 수확(Energy Harvesting)이 있다. 에너지 수확은 버려지는 에너지 원을 활용할 수 있는 에너지로 변환하는 기술을 말한다. 에너지 수확 기술은 자율 독립전원뿐만 아니라 에너지의 효율을 높이는 데도 이용될 수 있다(메인사진: 용액공정으로 얇게 만든 열전소재(주석-셀레나이드)의 모습). 정리 강창대 기자 \| 자료제공 울산과학기술원(UNIST), 성균관대학교 이번에 소개하는 에너지 수확 기술은 매우 얇으면서도 높은 효율을 내는 ‘열전소재’와 ‘마찰전기 발전소자’다. 에너지는 전달되거나 이동하는 과정에서 많은 부분이 형태가 바뀌면서 소실된다. 예를 들어 백열전구의 경우 상당한 전기 에너지가 열로 손실되어 효율이 낮다. 이때 열로 빠져나가는 에너지를 사용 가능한 형태의 에너지로 전환할 수 있다면 효율을 높일 수 있을 것이다. 이렇 게 열을 전기로 바꾸는 것을 ‘열전기술’이라 한다. 한편, 마찰전기 발전소자는 다양한 형태의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기술이다. 인간을 비롯한 동 물은 깨어있는 동안 무수히 많은 운동을 한다. 신체 내 의 혈액이나 장기들은 우리가 잠을 자는 순간에도 끊임 없이 움직인다. 마찰전기 발전소자는 이를 전기 에너지 로 전환해주거나 인체 내부에 삽입한 의료기기에 무선 전력전송 방식으로 에너지를 전달할 수 있게 해준다. 얇고 효율이 높은 열전소재 울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학부 손재성 연구팀 과 한국표준과학연구원의 신호선 박사팀이 공동으로 ‘주 석-셀레나이드(SnSe)’의 결정 구조를 나란히 정렬해 고 효율 초박막 열전소재를 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 열전 기술의 기반이 되는 ‘열전효과’(thermoelectric effect)는 열전소재 양쪽 끝에 온도의 차이가 생기면 전 하의 밀도가 달라져 기전력이 발생하는 효과를 말한 다. 열전발전기는 이러한 효과를 이용해 열을 전기로 바꾸는 장치다. 열전발전기는 소형 냉각장치와 자동차 엔진, 선박 등의 열원에 부착해 폐열로 전기를 만든다. 열전발전기의 성능은 열전소재에 크게 좌우되기 때문 에 관련된 연구는 소재 개발과 발굴에 집중돼 있다고 한다. 열전소재 가운데 2014년 보고된 ‘주석-셀레나이 드’(SnSe)는 성능이 우수한 소재로 알려져 있다. UNIST 신소재공학과 허승회 연구원의 설명에 따르면 주석-셀레나이드의 결정은 “종이가 층층이 쌓인 책처 럼 독특한 층상형”이다. 그러나 이 소재의 독특한 결정 구조 때문에 결정 방향에 따라 열전 성능이 일정치 않 은 문제가 있다. 따라서 소재의 결정 방향을 제어하는 것은 성능 확보에 필수적인 기술이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 주석-셀레나이 드를 특정한 방향으로 성장시킬 2단계 공정을 개발했 다. 1단계 공정에서는 ‘주석-다이셀레나이드(SnSe₂)’ 박막을 만들고, 2단계 공정에서 열처리해 ‘주석-셀레 나이드(SnSe)’박막을 만드는 방식이다. 첫 번째 단계에서는 박막형 열전 손재를 만드는 것이 다. 이를 위해 주석-셀레나이드 분말을 아민계 (-amine) 용매와 사이올계(-thiol) 용매를 섞어 만든 공 용매(cosolvent)에 녹여 ‘열전 잉크’를 만들고, ‘스핀 코 팅(spin coating)’방식으로 박막형 열전 소재를 만들었 다. 이때 용액은 유리 기판 위에서 100나노미터(㎚) 이 하의 매우 얇은 막을 형성한다. 두 번째 단계에서는 열전 잉크 제작에 사용한 사이올 계 용매를 제거하는 정화 공정이다. 이 정화 공정을 거 치면서 주석-셀레나이드 입자는 독특한 ‘이온형 무기 물 복합체’로 구조가 바뀌고, 그 다음 이 복합체를 열처 리하면 ‘깨끗한 박막’이 완성된다. 이렇게 제작된 주석-셀레나이드 박막은 존 벌크형 열 전 소재의 성능을 뛰어넘는 성능을 보였다. 연구진에 따르면, 열전 박막의 역률(power factor)은 약 277℃에 서 4.27㎼/㎝K²에 달했다고 한다. 또 단결정으로 성장 시킨 덩어리 형태의 주석-셀레나이드 소재와 견줄 정 도로 높은 성능을 보였다. 연구진은 이번 연구 성과에 대해 “간편하고 효율적일 뿐 아니라 주석-셀레나이드의 결정 방향까지 제어할 수 있어 향후 폭넓게 응용될 것”이라며 기대를 내비쳤 다. 또, 이번 연구는 용액 공정을 통해 열전소재 결정의 고배향성 구조를 실현시키고, 나아가 고효율 초박막형 열전소자를 제작할 가능성을 보여주었다는 의의가 있 다. 더 나아가 주석-셀레나이드와 유사한 결정구조를 갖는 물질에도 적용할 수 있을 것으로 보인다. 이외에 도, 용액 공정을 통해 합성된 무기물 열전 잉크는 그 점 성을 조절해 열전 페인트로 발전시킬 수 있다는 게 연 구진의 설명이다. 이를 3D 프린터 기술을 응용해 열전 3D 프린팅 기술로 확장시킨다면 대면적 열전 모듈 생산 에 필요한 비용을 크게 절감할 수 있다. a. 열전 잉크 및 박막형 열전소재 제작 과정 모식도, b. 박막 사진 촬영 이미지, c와 d. 박막 표면 전자현미경 촬영 이미지 기계적 에너지를 전기 에너지로 성균관대학교 신소재공학부 김상우 교수 연구진이 배 터리 교체를 위한 주기적 시술 없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 수시로 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확 기술을 개발했다. 인체에 삽입되는 심장박동기나 인슐린펌프 등과 같은 의료기기의 전원공급을 위해 배터리를 교체하기 위한 추가적인 시술을 필요로 하는 경우가 있다. 이외의 방 법으로, 상당한 출력의 외부전력을 무선으로 체내로 전송할 수 있지만, 이 경우 생체에 끼치는 영향을 고려 해야 했다. 이에 심장박동이나 혈류, 근육운동 등 생체 내 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하려는 에너지 수확 연구가 지속돼 왔다. 그러나 체내에서 발생하는 기 계적 에너지가 작아 충분한 발전효과를 내기 어려웠다. 성균관대학교 연구진은 초음파에서 힌트를 얻어 이러 한 문제의 해결 가능성을 제시했다. 초음파는 인간이 들을 수 있는 가청 한계 범위(약 20㎑)를 넘어서는 주파 수 대역의 음파를 말한다. 초음파는 인체에 무해하기 때문에 검진이나 치료에도 사용되고 있다. 연구진은 이 러한 초음파가 체내에 삽입된 특정 소재의 변형을 가져 오고, 변형에 따른 진동으로 유도되는 마찰전기를 이 용할 경우 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있다 는 것을 증명했다. 연구진은 이번 연구에서는 생체를 투과할 수 있는 초 음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 천 배 이상 끌어 올렸다고 한다. 연구진은 쥐와 돼지 피 부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고 외부에서 초음파 로 마찰전기를 유도함으로써 실제 생체 환경에서 에너 지 수확을 통한 발전(發電)이 가능함을 입증했다. 연구 진은 돼지 지방층 1㎝ 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출 력(0.91 V의 전압, 52.5 ㎂)을 얻어 냈다. 나아가 개발된 마찰전기 발전소자로 최적의 조건에서 0.7 ㎃h, 사물인 터넷용 무선 온도센서 상시구동이 가능한 용량의 박막 형 리튬이온 배터리와 상업용 커패시터(4.7 mF)를 완충 하는데 성공했다. 연구진은 실험에 초음파 구동 마찰전기 발전 소재로 PFA(Perluoroalkoxy) 폴리머 필름을, 기판으로는 플렉 서블 PCB(f-PCB)를 사용했다고 한다. PFA는 생체에 안정성이 있고 출력이 높은 마찰소재이기 때문이다. 연 구진은 초음파의 진행이 좋은 물 속 환경에서 다양한 조건(세기, 소자로부터의 거리)에 따라 초음파 하베스 팅 특성을 측정한 결과, 소자가 초음파로부터 약 5㎜ 거리에 위치한 조건에서 가장 높은 발전 효율을 확인했 고, 약 7㎽의 발전이 이루어지는 것을 확인했다. 또한, 연구진은 초음파 하베스팅 소자가 실제 생체조직 환경인 쥐와 돼지의 피하조직 아래에서도 성공적으로 발전하는 것을 실험적으로 확인하였는데, 1 ㎝ 깊이의 돼지 지방층에 삽입한 발전소자는 0.91 V의 전압, 52.5 ㎂의 전류를 만들었다. 일반적으로, 인체 삽입용 심장 박동기는 1 ~ 10 ㎼, 신경자극기는 10 ~ 100 ㎼의 전력 으로 구동되기 때문에 연구진이 개발한 발전소자가 만들어낸 전력만으로도 구동이 가능하다. 그리고 초음파 하베스팅을 통해 상업용 커패시터(4.7 mF, 비교: 전장 용, 통신장비를 포함한 다양한 산업 전반에서 전기가 통하는 모든 전자제품에 일시적으로 전기를 저장했다 가 전력공급이 필요한 회로에 안정적으로 전기를 공급 하는 역할)와 박막형 리튬이온 배터리(0.7 ㎃h)의 충전 에도 성공했다. 피부를 통해 인가된 초음파에 의한 마찰전기 발전소자 모식도(실제 소자 사진) 및 초음파에 의한 이론적 진동 발생 수준 계산. A. 피부층 아래에 위치한 마찰전기 발전소자가 초음파에 의해 구동된다는 모식도, B. 마찰전기 발전소자의 구성, C. 초음파로 구동되는 마찰전기 발전소자의 앞·뒷면 실제 사진, D. 마찰전기 발생을 위한 초음파 인가에 따른 음압 수준 계산 결과, E. 초음파 인가에 의한 마찰 소재의 다중진동 발생에 따른 마찰전기 발생 가능성 분석마찰전기 발전소자의 생체환경에서의 발전가능성 확인. A. 인간 피부조직과 유사한 돼지 피하조직에 삽입된 마찰전기 발전소자의 모식도와 실제 삽입된 발전소자 사진, B와 C. 실제 돼지 피하조직에 삽입 모식도 및 사진, D. 피부층과 지방층 사이, E. 지방층 내부에 위치한 발전소자의 발전량을 출력전압과 전류로 확인한 결과 < Energy News >