압전소자 에너지효율 높였다

김상우 교수팀, 기존보다 36배 향상… LED 구동 성공

에너지 효율을 이전보다 수십배 높인 압전소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 압전소자는 진동이나 소리, 바람, 신체 움직임 등 기계적 에너지를 이용해 전기를 생산하는 것으로, 가스레인지나 휴대용 라이터의 점화장치 등에 이미 쓰이고 있다. 최근에는 이를 이용해 에너지를 얻기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
 
성균관대 김상우 교수(신소재공학부ㆍ사진)와 이근영 박사과정생, 경희대 최덕현 교수(기계공학과), 미 조지아텍 종린 왕 교수 연구팀은 유기물과 무기물을 결합한 압전소자를 구현, 기존보다 에너지 효율을 36배 높이는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
 


일부 물질은 기계적 힘을 가하면 원자간 결합이 끊어지면서 일부 원자는 +전하, 나머지는 -전하를 띄면서 내부에 전압이 생긴다. 이 때 물질의 양쪽 끝에 전극을 붙이면 전압에 의해 전자가 움직이면서 전기가 흐른다. 이를 이용해 만든 것이 압전소자다. 그러나 지금까지 압전소자는 절연체여서 전류 흐름이 크지 않을 뿐만 아니라 압전효율이 낮은 한계가 있었다.
 
연구팀은 산화아연으로 무기물 압전물질 막을 만들고, 유기물인 고분자막(P3HT)을 접합시켰다. 이렇게 만든 하이브리드 소자에서는 무기물에 있는 자유전자가 유기물의 정공과 결합함으로써 전압과 전류값이 높아지는 효과를 얻었다. 이렇게 만든 소자는 기존에 무기물로만 만든 소자에 비해 에너지 변환효율이 36배 이상 높았다. 연구팀은 이 소자만으로 적색, 녹색, 청색 발광다이오드(LED)를 구동시키는 데 성공했다.

김상우 교수는 "기존 압전소자는 큰 전압차를 이용해 순간적으로 전기를 만들 수 있지만 연속적인 생산이 힘들어 에너지원으로 산업화하는 데 한계가 있었다"며 "이 기술을 발전시키면 고속도로 소음과 진동을 에너지로 변환시키는 방음벽, 조깅하면서 충전 가능한 MP3 플레이어 등 새로운 개념의 기기들이 선보일 것"이라고 말했다.
 
이 연구는 교육과학기술부 선도연구센터 지원사업(NCRC)과 미공군협력사업의 지원 하에 이뤄졌으며, 연구결과는 나노과학 분야 권위지인 `나노레터스`지 온라인판 16일자에 게재됐다.