자가발전과 광검출 동시구현 가능한 SbSI 압전나노발전기 모식도[자료=한국연구재단]

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 각종 휴대용, 웨어러블 전자기기의 자가발전 장치로 기대되는 나노 발전기에 빛을 검출하는 기술을 개발했다.

1일 한국연구재단에 따르면 제주대 공과대학 메카트로닉스공학과 김상재 교수팀은 ‘안티모니 요오드화황(SbSI)’ 화합물 소재를 사용해 다기능 감광성 압전 나노발전기를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 압력‧진동에 의한 자가발전과 광검출 특성을 동시에 갖는 새로운 강유전성 나노 소재를 활용해 나노 발전기를 한층 발전시켰다.

소재로 쓰인 '안티모니 요오드화황'은 압력이나 진동을 가하면 전기가 발생하는 압전(壓電, piezo-electric) 효과를 비롯해 반도체, 광반응 특성 등 다양한 기능이 있다.

이를 사용해 처음으로 제작된 압전 나노 발전기는 2N(뉴턴)의 작은 외력에도 5V(볼트), 150nA(나노암페어)의 전류를 생성하고, 적색 빛을 조사했을 때 0.1∼0.01초 만에 반응하는 뛰어난 광스위칭 속도를 보였다.

나노발전기는 아주 작은 크기의 물질을 이용해 인체의 움직임과 같이 주변에서 흔히 발생하는 기계적 에너지로부터 전기 에너지를 수확한다. 발전기가 작고 가벼우며 구동 회로가 단순화‧집적화할 수 있다. 착용형‧휴대용‧신체이식형 기기에 적용될 미래지향적 기술이다.

김 교수는 “개발된 SbSI 나노발전기는 자체 발전, 감광성 압전 특성, 광스위칭 및 응답특성, 자가발전 및 센싱소자의 일체화 등 차별화한 특징이 있다”고 말했다.

또한 ”광 트랜지스터, 광 검출기 등의 차세대 광 스위칭 소자뿐만 아니라 전력공급이 어려운 지역의 화재경보 및 초미세먼지 모니터링 시스템 등의 사물인터넷(IoT) 리모트 센서에 적용될 수 있다"고 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구성과는 권위있는 국제학술지 나노에너지(Nano energy) 올 8월호 논문으로 게재됐다. 

◆ 연구자가 직접 전하는 ‘연구이야기’

제주대 공과대학 메카트로닉스공학과 김상재 교수 [사진=한국연구재단]

- 이번 성과, 무엇이 다른가?

▲ 소속한 제주대 연구실에서는 차세대 자체 전원공급센서 및 시스템의 개발을 목표로 나노발전기, 에너지저장원 및 자가구동센서의 집적화시스템의 개발에 관한 연구를 수행하고 있다. 이번 연구에서 처음으로 SbSI 소재를 이용한 나노발전기를 제작했고 압전에 의한 광응답 및 광검출 특성을 확인했다. 소자의 유연성, 제작시간과 비용, 다기능 신소재의 적용 등에서 현재의 광전자시스템 분야의 기반기술을 일부 대체할 가능성이 있다. 특히, 제작 소자의 압전나노발전과 광센싱의 동시 작동기능은 외부 전원이나 배터리 없는 초소형의 사물인터넷 리모트 센싱 시스템 개발에 적용이 기대된다.

- 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

▲ SbSI소재를 활용한 압전-반도체-광특성의 3가지 결합 기구는 유연 전자공학, 스위칭 소자, 광다이오드 및 트랜지스터 기술, 광통신, 광 검출기 등의 개발에 적용과 접근이 가능하다. 외부전원이나 배터리 없는 초소형의 사물인터넷 리모트 센싱시스템 개발을 목표로 하고 있다.

에너지수확 및 광 검출성능(응답속도, 스위칭속도), 노이즈 저감, 소자의 안정성, 소자설계와 패키징 기술의 개선 및 원천기술 확보가 우선시돼야 한다. 또 SbSI 소재의 압전 및 광전자 소자 적용은 기술의 도입기에 해당, 향후 3년간의 연구개발 성과 여부에 따라 상용화 여부가 결정될 것으로 판단된다.

- 연구를 시작한 계기나 배경은?

▲ 지리적으로 격리되고 고립된 지역의 전력공급 및 센싱시스템을 위한 외부 전원이 필요 없도록 자연환경을 이용해 에너지 발생 및 저장에 기반한 자가 구동 센싱 시스템의 가능한 방법을 모색한 것이 계기가 됐다.

기존 연구와는 차별화해 일상적으로 버려지는 기계적인 에너지와 빛 에너지의 동시 활용이 가능하고도 외부전원이 필요 없는 센서를 개발하던 중 AVBVICVII족 물질의 강유전-반도체-광특성이 예상되는 SbSI 소재의 특성을 이용, 나노발전기를 처음으로 제작했다. 이어 자가발전 및 광검출의 동시구현이 가능한 새로운 소자개발에 적용하게 됐다.

- 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

▲ 후속연구에서는 다른 다양한 원소의 AVBVICVII 족 화합물의 조성에 의한 자가 구동 광검출 소자의 개량 및 상용화 통하여 지역 및 사회에 공헌하고 먹거리를 창출할 수 있는 가시적인 성과를 도출했으면 한다.

- 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

▲ 주변의 열악한 환경에 굴하지 않았다. 이 주제에 관해 여러 번에 걸친 수정 및 보완실험을 통해 장기적 안목으로 포기하지 않은 것이 좋은 결과를 도출한 것으로 판단된다. 

kimys@newspim.com