몸만 움직이면 웨어러블 기기 충전된다 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 국제 공동 연구팀이 운동 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환해 웨어러블 기기의 자가 충전이 가능하게 하는 새로운 방법을 개발했다. 일상적 움직임, 즉 저주파 운동에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있게 됐다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 싱가포르 난양공대(NTU, Nanyang Technological Univ.) 전자공학과 이석우 교수 연구팀과 국제공동연구를 통해 새로운 전기화학적 에너지 수확 방법을 개발했다. 이를 통해 기존 기술과 비교했을 때 10배 높은 출력과 100초 이상 지속되는 전류 생성에 성공했다고 10일 발표했다.

운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 보통 압전(Piezo-electric)과 마찰전기(Tribo-electric) 방식으로 순간적으로 높은 전력을 발생시킬 수 있다. 내부 저항이 높아 전류가 짧게 흐르는 한계가 있다. 보다 효율적이고 지속 가능한 에너지 하베스팅(수확) 기술이 요구되고 있다.

연구팀은 물과 이온성 액체 전해질에 전극을 각각 담가 이온의 이동으로 발생하는 전위차(전기적 위치에너지)를 이용해 전력을 수확하는 새로운 방식을 개발했다.

연구팀은 이온이 전해질과 전극 계면에서 산화ㆍ환원 반응을 통해 에너지를 어떻게 발생시키는지 더 깊이 이해하기 위해 제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션을 수행했다.

제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션이란 양자역학 법칙을 사용해 전자들의 거동을 계산하는 것을 말한다. 원자들 사이의 상호작용을 계산으로 구한 뒤, 이를 통해 시간에 따른 원자들의 움직임을 예측한다.

그 결과, 이온이 각 전해질에서 주변 용매와 상호작용하는 방식과 전해질 환경 따른 전극 내부에서의 주변 상호작용 에너지가 다르게 나타났음을 확인했다. 이러한 종합적 상호작용이 에너지 차이를 발생시키며, 이를 통해 전해질 간 전위 차이를 설명하는 중요한 원리를 제시했다.

연구팀은 이 시스템을 여러 개 직렬로 연결하면 출력 전압을 크게 높일 수 있다는 것도 확인했다. 그 결과 계산기를 작동시킬 수 있을 정도인 935mV의 전압을 달성했다. 이는 저전압 기기나 웨어러블 디바이스와 같은 장치에 적용할 수 있다.

물리적 마모 없이 장시간 안정적으로 작동할 수 있어 이 기술은 사물인터넷(IoT) 기기나 자가 충전형 전자기기에도 실용적으로 적용될 가능성이 크다.

서동화 KAIST 교수는 "이번 연구의 핵심은 일상적 움직임, 즉 저주파 운동에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있다는 점”이라며 "시뮬레이션과 실험의 협업을 통해 에너지 수확 원리를 깊이 이해함으로써 설계 가이드라인을 도출할 수 있었고, 이는 상용화 가능성을 크게 높였다”고 설명했다.

이번 연구는 이동훈 난양공대 전자공학과 박사과정, 송유엽 KAIST 신소재공학과 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문명 : Electrochemical kinetic energy harvesting mediated by ion solvation switching in two-immiscible liquid electrolyte)는 네이처 커뮤니케이션에 지난 10월 19일 자로 온라인으로 출판됐다.