나노발전기는 각종 휴대용, 웨어러블 전자기기의 자가발전 장치로 기대되고 있습니다. 이제는 나노발전기에 빛을 검출하는 능력도 더해졌다고 합니다. 제주대학교 김상재 교수와 연구팀이 안티모니 요오드화황(SbSI) 화합물 소재를 사용하여 다기능 감광성 압전 나노발전기를 개발했다는 소식입니다. 이 연구 성과는 국제학술지 <Nano energy> 8월호 논문으로 게재됐습니다.
압전효과란 원자가 규칙적으로 정렬된 결정에 일정한 방향으로 압력을 가하면 전기적 분극이 일어나는 현상인데요. 즉, 압력이나 진동을 가하면 전기가 발생하는 효과입니다. 압전효과를 이용한 장치들은 일상적으로도 자주 쓰이고 있는데요. 눌렀을 때 스파크가 튀는 라이터나 가스렌지 등이 장치가 압전을 이용한 장치입니다. 예전 오락실이 성행할 때 동전구멍에 넣고 쏘아 코인을 넣은 것처럼 기계를 조작할 때 쓰였던 이른바 '오락실 딱딱이'가 바로 압전기인데요. 마음 착한 이웃님들은 잘 모르실 수도 있습니다.
이렇게 압력을 이용해 전기를 생산하는 압전효과로 에너지를 생산하는 아이디어는 계속 발전해왔는데요. 특히 압전기를 나노 단위의 아주 작은 장치로 만들어 일상적으로 발생하는 압력을 에너지로 모아 이용하고자 하는 게 압전을 이용한 '에너지 수확기'입니다.
나노발전기는 아주 작은 크기의 물질을 이용해 인체의 움직임과 같이 주변에서 흔히 발생하는 기계적 에너지로부터 전기 에너지를 모을 수 있습니다. 즉, 주변에서 전기 에너지를 수확하는 거죠. 발전기가 작고 가벼우며 구동회로가 단순화‧집적화될 수 있기 때문에, 착용형‧휴대용‧신체이식형 기기에 적용될 미래지향적 기술입니다.
압전에 따라 증가하는 전류(우측상단), 그리고 빛을 켤 때마다 발생하는 전류(우측하단) 출처: 한국연구재단
연구팀은 압력‧진동을 통한 자가발전에 빛을 검출하는 특성까지 더해진 새로운 강유전성 나노소재를 활용해 나노발전기를 한층 발전시켰습니다. 소재로 쓰인 안티모니 요오드화황은 3원계 물질로서, 압전, 반도체, 광반응 특성 등 다양한 기능이 있는 물질입니다.
이를 사용해 제작한 압전나노발전기는 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 보였습니다.
김상재 교수는 "개발된 SbSI 나노발전기는 자체발전, 감광성 압전 특성, 광스위칭 및 응답특성, 자가발전 및 센싱소자의 일체화 등 차별화된 특징이 있다"며, "광트랜지스터, 광검출기 등의 차세대 광스위칭 소자 뿐만 아니라, 전력공급이 어려운 지역의 화재경보 및 초미세먼지 모니터링 시스템 등의 IoT 센서에 적용될 수 있다"고 연구의 의의를 설명했습니다.
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