웨어러블 기기에 무선으로 전력을 전송하는 새로운 기술이 나왔다. 기기를 더 오래, 효율적으로 사용할 수 있게 해줄 것으로 기대된다.
전기전자공학과 권지민 교수, 이용우 박사는 POSTECH 신소재공학과 정성준 교수와 함께 폴리머 쇼트키 다이오드의 안정성을 오래 확보하는 기술을 개발했다. 기존의 수분과 산소에 의한 다이오드 성능 저하 문제를 극복했다.
그림1. 에너지 하베스팅을 위한 폴리머 쇼트키 다이오드의 안정성 문제
연구팀은 폴리머와 금속 사이의 문제를 해결해 얇지만 안정적으로 작동하는 쇼트키 다이오드를 구현했다. 전기를 한 방향으로만 흐르게 해 낮은 전력으로도 고성능 웨어러블 기기 사용이 가능하다.
그림2. 폴리머 쇼트키 다이오드의 열화 현상 메커니즘 분석
특히 쇼트키 다이오드는 금속과 폴리머 사이에 산화물 층을 추가해 전기 흐름 효율을 유지했다. 유연한 재질의 기판에서도 13.56MHz 신호를 안정적으로 처리할 수 있어 빠른 무선 통신과 에너지 수집 기술 발전에 큰 도움이 될 전망이다.
그림3. 알루미늄 도핑된 아연 산화물 삽입층을 이용한 폴리머 쇼트키 다이오드의 전기적 특성 안정화
연구팀은 다이오드 성능 저하 원인을 파악하기 위해 다양한 실험을 진행했다. 반도체층과 음극 금속층 사이의 문제가 주요 원인임을 밝혀냈다. 이를 X선 광전자 분광법과 이차이온질량분석법 등으로 분석하고 전기적 분석을 통해 체계적으로 규명했다.
그림4. 13.56 MHz에서의 안정적인 정류 동작 특성
주저자 이용우 박사는 “웨어러블 기기 연구는 많은 진전을 이뤘지만, 무선 전력 전송 시 안정성 문제는 여전히 해결되지 않았다”고 말했다. 이어 “이번에 개발한 기술은 몇 개월 이상 성능이 저하되지 않는 플렉시블 무선 전력 전송 기술로, 차세대 웨어러블 기기 연구에 큰 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.
연구 결과는 전자공학 분야의 권위 있는 국제학술지인 네이처 파트너 저널 플렉시블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics)에 7월 18일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP), 연구개발특구진흥재단(INNOPOLIS)의 지원을 받아 수행됐다.
