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배터리 없이 이산화탄소 실시간 모니터링 성공
기후 변화와 지구온난화를 막기 위해서는 이산화탄소(CO2)가 ‘얼마나’ 배출되고 있는지를 정확히 파악하는 것이 핵심이다. 이를 가능하게 하는 것이 바로 이산화탄소 모니터링 기술이다. 최근 한국 연구진이 외부 전력 없이도 이산화탄소 농도를 실시간 측정하고 무선으로 전송할 수 있는 시스템을 개발해 환경 모니터링 기술의 새로운 가능성을 열었다.
우리 대학 전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀이 중앙대학교 류한준 교수팀과 공동연구를 통해, 주변의 미세 진동 에너지를 수확해 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정할 수 있는 자가발전형 무선 모니터링 시스템을 개발했다고 9일 밝혔다.
지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출은 산업계의 지속가능성 평가 지표로 자리 잡고 있으며, 유럽연합(EU)은 이미 공장 배출량 규제를 도입한 상태다. 이러한 규제 흐름에 따라, 효율적이고 지속 가능한 이산화탄소 모니터링 시스템은 환경 관리와 산업 공정 제어에 필수적인 요소로 주목받고 있다.
그러나 기존 이산화탄소 모니터링 시스템은 대부분 배터리나 유선 전원에 의존하기 때문에 설치와 유지보수에 제약이 따른다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 외부 전력 없이 작동 가능한 자가발전 무선 이산화탄소 모니터링 시스템을 개발했다.
이번 시스템의 핵심은 산업 장비나 배관에서 발생하는 진동(20~4000㎛ 진폭, 0-300 Hz 주파수 범위)을 전기로 바꾸는 ‘관성 구동(Inertia-driven) 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)’이다. 이를 통해 배터리 없이도 이산화탄소 농도를 주기적으로 측정하고 무선으로 전송할 수 있다.
연구팀은 4단 적층 구조의 관성 구동 마찰전기 나노발전기(TENG)에 탄성 스프링을 결합해 미세 진동을 증폭시키고 공진 현상을 유도, 13Hz, 0.56g의 가속도 조건에서 0.5㎽의 전력을 안정적으로 생산하는 데 성공했다. 생산된 전력은 이산화탄소 센서와 저전력 블루투스 통신 시스템을 구동하는 데 사용됐다.
권경하 교수는 “효율적인 환경 모니터링을 위해서는 전원 제약 없이 지속적으로 작동 가능한 시스템이 필수”라며, “이번 연구에서는 관성 구동 마찰전기 나노발전기(TENG)로부터 생성된 에너지를 바탕으로 주기적으로 이산화탄소 농도를 측정하고 무선으로 전송할 수 있는 자가발전 시스템을 구현했다”고 설명했다.
이어 “이 기술은 향후 다양한 센서를 통합한 자가발전형 환경 모니터링 플랫폼의 기반 기술로 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 우리 대학 석사과정 장규림 학생과 중앙대 석사과정 다니엘 마나예 티루네(Daniel Manaye Tiruneh) 학생이 공동 제 1저자로 국제 저명 학술지 `나노 에너지(Nano Energy) (IF 16.8)'에 6월 1일자로 게재됐다.
※논문명 : Highly compact inertia-driven triboelectric nanogenerator for self-powered wireless CO2 monitoring via fine-vibration harvesting,
※DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110872
이번 연구는 사우디 아람코-KAIST CO2 관리 센터의 지원을 받아 수행됐다.
2025.06.09 조회수 5958 -
차세대 친환경 에너지 발전 소자를 통한 해양 모니터링 기술 개발
우리 대학 기계공학과 박인규 교수, 오일권 교수와 한국기계연구원(KIMM) 정준호 박사 공동연구팀이 `차세대 친환경 에너지 발전 소자를 통한 해양 모니터링 기술'을 개발하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.
이전에 `다양한 센서 구동을 위한 소형 무선 측정 시스템', `마찰전기 나노발전기를 이용한 해양 에너지 수확 기술', `임프린팅을 통한 고효율 나노구조체 형성 기술'을 개발하는 데 각각 성공했던 공동연구팀은, 표면 나노구조체의 설계와 친환경 소재 선정을 통해 소자 전체 재활용이 가능하며 해양 환경에서 고성능·고안정성을 나타내는 마찰전기 나노 발전기를 구현할 수 있음을 처음으로 보였다.
기계공학과 안준성 박사과정과 김지석 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)' 2022년 8월 온라인판에 출판됐으며, 후면 표지 논문(Back Cover)으로 선정됐다. (논문명 : All-Recyclable Triboelectric Nanogenerator for Sustainable Ocean Monitoring Systems)
최근, 기후 변화와 같은 환경 관련 문제가 전 세계적으로 많이 발생하면서, 온실가스 규제, 친환경 에너지 생산, 재활용 가능한 소자 등 이를 해결하기 위한 연구가 국제사회에서 많은 관심을 받고 있다. 그중에서, 특히 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator, 이하 TENG)는 버려지는 기계적 에너지를 전기 에너지의 형태로 수확하는 친환경 재생에너지 소자로서 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만, 현재까지 개발됐던 대부분의 TENG는 버려지는 기계적인 에너지를 수확함으로써 화석 연료 사용 감소에 도움이 되지만, 한편으로는 사용된 전극 혹은 마찰 대전 고분자 소재 폐기 과정에서 수많은 전자 폐기물(electronic waste)을 발생시켜 또 다른 환경 문제를 일으킬 수 있다.
최근에는 이를 해결하기 위해 소자의 일부분이 물에 녹아 분해될 수 있는 친환경 소재 기반 TENG가 연구되고 있지만, 재활용과 응용 분야 관점에서 한계에 부딪혀있다. 첫 번째로, 마찰전기를 발생시키는 대전 물질은 물에 녹아 재활용할 수 있지만, 전자를 수확하기 위한 전극 부분의 재사용은 불가능하다. 두 번째로, 물에 녹는 소자 특성으로 인해 TENG의 가장 유망한 적용 분야인 해양 에너지 수확에 응용이 불가능하다. 세 번째로, 현재까지 개발된 재활용 소자 기반 TENG는 기존 상용 소자 기반 TENG에 비해 10~100배 이상 낮은 에너지 수확 성능과 기계화학적 불안정성을 나타낸다. 따라서, 해양 에너지 수확에 적용할 수 있으며 재활용이 가능한 고성능·고안정성 TENG를 개발하는 것은 차세대 친환경 에너지 수확 및 환경 오염 감소에 큰 발전을 이룰 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다.
연구팀은 소자 전체 재활용이 가능하며 기계화학적 내구성이 뛰어난 소재·구조 설계를 통해 해양 환경에서 고성능·고안정성을 나타내는 친환경 TENG를 개발했다. 또한, 수확된 해양 에너지를 통해 배터리를 충전하고, 바다 상태(산도, 염도, 온도, 오일 유출) 및 응급 상황 모니터링에 사용되는 전자 소자와 무선 통신 모듈을 구동했다. 이는 해양 에너지를 수확해 다양한 바다 환경을 모니터링할 수 있는 상용 소자들을 구동할 수 있음을 보인 것에서 그 의미가 크다.
연구를 지도한 박인규 교수, 오일권 교수, 한국기계연구원 정준호 박사는 "개발된 친환경 해양 에너지 수확 소자는 범지구적 에너지 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되고, 재활용 가능한 마찰전기 나노 발전기는 추후 바다 에너지를 넘어 친환경 풍력에너지 수확에도 활용될 수 있을 것이다ˮ라며 "이는 친환경 에너지 시대를 앞당기는 발판이 될 것이다ˮ고 연구의 의의를 설명했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 창의연구지원사업, 중견연구자지원사업, 극한물성시스템 제조플랫폼기술의 지원을 받아 수행됐다.
2022.09.20 조회수 10754 -
고효율 나노발전기 상용화길 열어
아주 작은 움직임으로도 전기를 생산하는 나노발전기가 개발됐다. 몸에 붙이고 다니면 충전되는 웨어러블 전자기기 전력원 등 다양한 활용이 기대된다.
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀은 레이저 박리 전사기술과 유연한 압전박막 소재를 활용해 기존보다 약 40배 높은 효율을 갖는 나노발전기 개발에 성공했다.
연구결과는 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 4월 23일자 표지논문으로 게재됐다.
나노발전기는 유연한 나노소재에 미세한 압력이나 구부러짐이 가해질 때 전기 에너지가 생성되는 기술이다. 전선과 배터리 없이도 에너지공급이 가능하기 때문에 휘어지는 전자제품은 물론 심장 박동기와 같이 몸속에 집어넣는 기기나 로봇의 에너지원으로도 활용 가능하다. 그러나 지금까지는 에너지 효율이 낮고 제작공정이 복잡해 상용화가 어려웠다.
이 교수 연구팀은 고온에서 결정화된 고효율 압전박막물질을 현재 상용화된 레이저 박리기술을 이용해 딱딱한 기판에서 플라스틱 기판으로 전사, 효율을 크게 향상시키면서도 대면적으로 양산 가능성을 높였다.
이번에 개발된 유연한 기판(2cm × 2cm)에 만들어진 나노발전기는 미세한 구부림에 의해 생성된 에너지(250V, 8㎂)로 105개의 LED를 작동시키는데 성공했다.
이 교수는 “이번에 개발된 고효율의 나노발전기술은 자연에서 발생하는 바람, 진동, 소리와 같은 미세한 에너지는 물론 심장박동, 혈액흐름, 근육수축·이완 등 사람 몸에서 발생되는 생체역학적 힘을 이용해 전기를 생산할 수 있는 무한 에너지원으로 사용될 수 있다”고 응용가능성에 대해 설명했다.
이와 함께 “발전효율이 세계최고기록보다 40여배 높고 대량 양산이 가능한 레이저 박리기술을 활용해 그동안 상용화를 가로막았던 저효율과 복잡한 제조공정의 문제점을 해결했다는데 큰 의의가 있다”고 말했다.
이 교수팀은 향후 압전박막물질을 삼차원으로 적층해 생성전력을 더욱 높이고 이를 동물에 이식하는 생체실험을 수행할 계획이다.
이번 연구결과는 미래창조과학부 도약연구사업과 ‘코오롱-카이스트 라이프스타일 이노베이션센터(KOLON-KAIST LifeStyle Innovation Center)’의 지원으로 수행됐다.
그림1. 레이저 박리 기술로 제작된 대면적 형태의 나노발전기 이미지(논문표지)
그림2. 플라스틱에 제작된 나노발전기에서 생성된 전력을 이용해 105개의 LED를 작동하는 모습
2014.05.15 조회수 23625 -
바이러스를 이용한 친환경 나노발전기 개발
- 자연계의 생체 합성 능력을 모방해 만든 신물질로 나노발전기 개발 -
우리 학교 신소재공학과 이건재(38)·남윤성(40) 교수 공동연구팀은 유전자 조작 바이러스를 이용해 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
연구결과는 나노 및 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘ACS Nano’ 온라인판(11월 14일자)에 게재됐으며, 대면적 저비용 제작에도 성공해 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 12월호 표지논문으로 선정되기도 했다.
조개껍질, 해면, 뼈 등에서 볼 수 있듯이 자연계는 인간이 만들기 어려운 여러 가지 물질이나 구조를 스스로 합성하고 조립하는 능력을 가지고 있다. 예를 들어, 자연계의 조개껍질은 매우 단단한 반면 같은 물질이지만 인공 합성물인 분필은 쉽게 부서진다.
게다가 기존의 여러 인공 합성법들은 독성이 많고 극한적인 환경에서 이뤄진다는 것에 비해 이러한 자연적인 합성은 매우 신비하고 주목할 만한 현상이다. 이처럼 생물들이 가지고 있는 자연적 물질 합성을 모방하면 과학기술 분야에서 효율적으로 환경문제를 해결하거나 신물질을 개발할 수 있다.
연구팀은 자연계에 대량으로 존재하면서 인체에는 무해한 M13이라는 바이러스 유전자를 조작하고, 이 바이러스의 특징을 이용해 압전 효과가 우수한 티탄산바륨(BaTiO3)을 합성함으로써 유연한 압전 나노발전기를 만드는데 성공했다.
나노발전기란 기계적인 힘을 가하면 전기가 생성되는 압전(piezoelectricity) 현상을 응용해 만든 에너지를 얻는 소자다. 연구팀은 이번에 손가락의 움직임으로도 전기에너지를 생산해 LED를 구동하는데 성공했다.
남윤성 교수는 “이번에 개발된 나노발전기는 DNA 조작이 생명체의 변형을 뛰어넘어 전자소자까지 제어할 수 있다는 새로운 발상의 전환을 보여주는 것”이라며 “뛰어난 압전특성과 친환경적인 제조공정은 이러한 접근법이 얼마나 매력적인지를 잘 보여준다”고 연구의 의의를 설명했다.
ㅁ 그림설명
바이러스 구조를 이용한 티탄산바륨 합성 및 나노발전기 모식도(첫째 줄), 바이러스와 이를 이용한 티탄산바륨 나노물질의 전자현미경 사진 및 구현된 유연한 나노발전기와 소자 (LED) 구동 모습(둘째 줄)
2013.12.10 조회수 26636 -
신개념 나노발전기 원천기술 개발
- 나노복합체 이용해 복잡한 공정과 고비용 문제 해결 -- 어드밴스드 머터리얼스 6월호 표지논문 게재 -
우리 학교 연구진이 나노복합체를 이용해 나노발전기를 적은 비용으로도 대면적으로 만들 수 있는 원천기술 개발에 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 이건재 교수 연구팀이 나노복합체를 이용한 신개념 나노발전기 원천기술을 개발해 재료분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 6월호 표지논문에 게재됐다.
이번에 개발된 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 만들어 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 면적도 쉽게 제작 가능해 공정이 복잡했던 기존의 한계를 극복해냈다는 평가를 받고 있다.
나노발전기는 나노 크기(10억분의 1m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 발전기로, 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 ‘압전 효과’를 이용한다.
압전 효과를 이용하는 발전기술은 2009년 MIT가 선정한 10대 유망기술에 선정됐으며, 2010년 미국의 유명한 과학월간지 파퓰러사이언스(Popular Science)가 선정한 세계를 뒤흔들 45가지 혁신기술에 포함되기도 했다.
나노발전기 개발을 위한 압전 물질은 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 처음으로 나노발전기 개념을 제시하면서 적용한 ‘산화아연(ZnO)’이 유일했다.
2010년 KAIST 신소재공학과 이건재 교수 연구팀은 산화아연보다 15~20배 높은 압전 특성을 갖고 있는 세라믹 박막물질인 ‘티탄산화바륨(BaTiO3)’을 이용해 나노발전기 효율을 한층 업그레이드 시킨데 이어, 이번에는 나노복합체를 이용해 간단한 공정으로 제작하는 데 성공해 적은 비용으로도 넓은 면적의 나노발전기를 구현해낼 수 있게 됐다.
연구팀은 수백 나노 크기의 고효율 압전 나노입자인 ‘티탄산화바륨’과 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 ‘탄소나노튜브’ 또는 ‘산화 그래핀(RGO)’을 폴리머(polydimethylsiloxane, PDMS)와 섞은 후 간단한 코팅공정을 통해 넓은 면적의 나노발전기 제작에 성공했다.
이건재 교수는 “압전효과를 바탕으로 한 ‘나노자가발전 기술’은 적은 기계적 힘만으로도 전기를 생산할 수 있어 차세대 에너지 기술로 각광을 받고 있지만, 기존 기술은 제작공정이 복잡하고 고가의 비용문제 및 소자크기의 한계성을 극복하지 못했다”고 말했다.
아울러 “이번에 개발된 기술에 패키징 및 충·방전 기술을 융합하면, 반영구적으로 자가발전 및 저장이 가능한 새로운 형태의 에너지 시스템 개발에 응용될 수 있다“고 덧붙였다.
한편, 이번 기술은 해외 1건, 국내 2건의 특허가 출원 및 등록됐다.
<동영상>http://www.youtube.com/watch?v=90rk7G3t30k&feature=player_embedded
압전 나노복합체 제작공정과 소자를 다양한 방법으로 구부릴 때마다 전기가 발생하는 것을 보여주는 동영상
※응용사례
- 에너지블럭(부산 서면역 적용)
지하철 선로에 압전소자를 적용해 전동차 운행으로 얻어지는 진동을 통해 발전하는 장치로 국내 최초의 압전에너지 상용화 제품http://blog.naver.com/ioyou64?Redirect=Log&logNo=130093513496
- 이스라엘은 고속도로에 압전발전기를 적용해 발생되는 전기로 가로등을 밝히고 있음
- 필립스는 사람이 리모컨 버튼을 누르는 힘만으로 전기를 생산해 배터리가 없어도 작동되는 리모컨 개발
- 수 많은 나노 발전기를 겹쳐 옷감 형태로 만든 재킷을 입으면 단순히 걷는 것과 같은 일상생활만으로도 휴대전화나 MP3 등을 충전할 수 있을 것으로 예상됨
- 아주 작은 전원만으로도 몸속에서 독자적인 임무를 수행하는 나노센서 개발가능
※그림설명
그림1. 압전 나노입자를 포함하는 복합물질에서 구부림에 의해 전기가 생성되는 것을 보여주는 그림.
그림2. 구부러질 때마다 전기를 만드는 나노복합체 기반의 자가발전기(논문표지)
2012.06.12 조회수 24287 -
유연한 나노신소재 발전기술 개발
휴대폰이나 심장에 이식한 미세 로봇이 배터리 충전 없이 영구적으로 작동할 수는 없을까?
공상과학 영화에서나 나올 법한 이런 일들이 머지않아 가능할 것으로 보인다.
우리학교 신소재공학과 이건재 교수팀은 압전특성이 우수한 세라믹 박막물질을 이용하여 심장 박동, 혈액 흐름과 같은 미세한 움직임으로도 전기를 만들 수 있는 새로운 형태의 유연한 나노발전기술을 개발했다.
압전특성이란, 가스레인지의 점화스위치 작동원리와 같이, 압력이나 구부러짐의 힘이 가해질 때 전기가 발생되는 특성을 말하는 데, ‘페로브스카이트(perovskite)’ 구조를 가지는 세라믹 물질들이 높은 효율을 나타내지만 깨지기 쉬운 성질을 가지고 있어 유연한 전자 장치로의 활용이 불가능했다.
이 교수팀은 높은 압전특성을 가지면서 깨지지 않고 자유롭게 구부릴 수 있는 세라믹 나노박막물질을 만들어 바이오-환경 친화적인 고효율 나노발전기술 개발에 세계 최초로 성공한 것이다.
나노기술과 압전체가 만나 만들어지는 나노발전기술은 전선과 배터리 없이도 발전이 가능해, 휴대용 전자제품 뿐만 아니라 몸속에 집어넣는 센서나 로봇의 에너지원으로도 사용이 가능하기 때문에, 그 활용영역은 응용기술 여하에 따라 얼마든지 넓어질 수 있을 것으로 보고 있다.
미세한 바람, 진동, 소리와 같이 자연에서 발생되는 에너지원과 심장 박동, 혈액 흐름, 근육 수축·이완과 같이 사람 몸에서 발생되는 생체역학적인 힘을 통해 전기를 생산할 수 있게 됨으로써 꿈의 무공해·무한 에너지원이 될 수 있는 것이다.
이번에 개발한 나노발전기술은 이 교수가 2004년 세계 최초로 공동발명한 ‘고성능 단결정 휘어지는 전자소자’를 토대로, 세라믹 나노박막물질을 유연한 플라스틱 기판 위에 옮겨, 외적인 힘이 주어질 때마다 신소재 압전물질로부터 전기를 얻는 데 성공한 것이 핵심이다. 또한 이 나노발전기술의 회로구조를 변형하면 LED발광도 이루어 질 수 있다고 이 교수는 말했다.
이 연구 결과는 나노과학기술(NT) 분야의 세계적 권위지인 "나노 레터스(Nano Letters)" 11월호 온라인 판에 게재됐고, 국내·외에 특허 출원되었으며, 논문의 공동저자로 참여한 미국 조지아 공대 왕종린(Wang, Zhong Lin) 교수팀과 동물 이식형 나노발전기 생체실험을 후속 연구로 진행하고 있다.
<관련동영상>
외부적인 힘에 의해 나노발전기에서 전기가 발생되는 동영상
http://www.youtube.com/watch?v=sWdopmi0B7U
<그림설명>
구부러지는 유연한 나노박막물질에서 전기가 발생되고 있다.
2010.11.08 조회수 25157