[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

웨어러블 기기와 분산형 전자소자의 확산으로, 다양한 환경 조건에서도 안정적인 전력 공급이 가능한 에너지 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나 기존 에너지 하베스팅 기술은 압력, 움직임, 온도, 습도 등 외부 자극의 변화에 민감하게 반응해 출력이 크게 변동되는 경우가 많아, 전원 공급의 안정성이 제한적이라는 한계를 지닌다. 또한 고출력을 구현하기 위해서는 단위 소자를 수평으로 확장하거나 면적을 키우는 방식이 주로 사용돼, 소자가 부피가 커지고 집적도가 낮아지는 문제가 발생한다. 이러한 한계는 소형·집적형 시스템이나 웨어러블 전자기기에 적용하는 데 큰 제약으로 작용해 왔다. 이에 따라 외부 자극 변화에 따른 출력 변동을 최소화하면서도, 구조적으로 확장 가능하고 공간 효율적인 새로운 개념의 에너지 하베스터 개발이 요구됐다.

2.연구내용

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 생물 세포막에서 관찰되는 이온 비대칭성과 선택적 이온 이동에 의해 전위가 형성되는 원리에 착안한 이온 이종접합 기반 에너지 하베스터(BIAS)를 개발했다. 기존 인공 이온 기반 소자들이 이온 농도 구배와 선택적 투과막을 도입해 생물학적 구조를 직접적으로 모사하려 했던 것과 달리, 본 연구에서는 이러한 생체 원리를 단순화해 전위가 서로 다른 두 고분자–이온 복합층을 비대칭적으로 접합하는 이온 이종접합 구조로 구현하였다.

본 소자는 열가소성 탄성체 매트릭스 내에 이온성 액체와 양·음전하를 띠거나 띨 수 있는 폴리전해질(polyelectrolyte)을 각각 섞어 각 층의 표면전위를 정밀하게 제어하고, 두 층이 접합된 계면에서 자발적인 내부 전기장이 형성되도록 설계되었다. 형성된 전위 차이에 의해 외부 자극 없이도 이온의 자발적인 재배치와 전하 분리가 유도되며, 지속적인 직류 전압이 생성된다. 동일한 전위 특성을 갖는 층을 접합한 동종접합 구조에서는 전위 비대칭이 거의 형성되지 않아 출력이 제한적인 반면, 양·음전위 층으로 구성된 이종접합 구조에서는 강한 전위 비대칭이 형성되어 동종접합 대비 약 30배 이상 향상된 출력 성능을 나타냈다.

두께 0.2 mm의 단일 소자만으로도 약 0.71 V의 안정적인 전압을 생성했으며, 압력·습도 등 외부 환경 조건 변화에 따른 출력 변동이 거의 없는 동작을 확인했다.

또한 연구팀은 전기가오리의 전기세포 배열에서 착안해 소자를 수직으로 적층하는 구조를 도입함으로써, 면적 증가 없이 전압을 선형적으로 증폭할 수 있는 공간 효율적인 스케일업 전략을 구현했다. 이를 통해 100 V 이상의 고전압 출력을 확보했으며, 적층 구조에서도 기계적 변형과 반복 구동에 대해 안정적인 성능을 유지함을 입증했다. 나아가 상용 전구, 전자계산기, 디지털 손목시계 구동 시연을 통해, 본 기술이 외부 자극이나 환경 조건에 의존하지 않는 실질적인 전력 공급원으로 활용될 수 있음을 확인했다.

3.기대효과

이번 연구는 외부 자극 변화에 따른 출력 변동과 스케일업 과정에서의 공간 효율 저하라는 기존 에너지 하베스팅 기술의 한계를 동시에 극복함으로써, 안정적이면서도 구조적으로 확장 가능한 에너지 하베스터 개발의 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의의를 가진다. 특히 외부 자극에 의존하지 않고 내부 전위에 의해 지속적인 전력을 생성하는 이온 이종접합 구조와, 수직 적층을 통한 전압 증폭 전략은 소형·집적형 전력 시스템 구현에 적합한 핵심 설계 원리로 활용될 수 있다.

또한 본 기술은 압력, 습도, 기계적 변형과 같은 다양한 외부 환경 변화에도 출력 특성이 크게 변하지 않아, 장시간에 걸쳐 예측 가능한 전력 공급이 요구되는 웨어러블 소형 전자기기 응용에 적합하다. 이는 외부 조건에 따라 출력이 간헐적으로 변동되는 기존 하베스터 대비, 보다 안정적인 전력 구동 환경을 제공할 수 있음을 의미한다.

아울러 본 연구에서 제시한 에너지 하베스터는 고분자 기반 이온 복합 소재로 구현되어, 반복적인 사용과 장시간 운용 환경에서도 구조적·전기적 특성이 안정적으로 유지된다. 이러한 특성은 외부 환경이나 물성 변화에 민감한 일부 에너지 하베스팅 소재와 비교할 때, 소자의 신뢰성을 높이고 장기 운용 시 전력 시스템의 관리 부담을 완화하는 요소로 작용할 수 있다.

이와 같은 소재적 특성을 바탕으로, 본 기술은 단순한 에너지 공급원을 넘어 자가 발전형 센서로의 확장 가능성 또한 지닌다. 특히 촉각 센서와 같이 지속적인 감지와 안정적인 신호 생성이 요구되는 응용에서, 외부 전원선에 대한 의존도를 낮추고 센서 구동 구조를 단순화하는 방향으로 활용될 수 있다. 이는 에너지 생성과 감지 기능을 분리해 설계하던 기존 센서 시스템에서 벗어나, 기능 통합형 소재 기반 센서 설계로의 확장 가능성을 제시한다.

[붙임]  용어설명

1.에너지 하베스터

주변 환경에 존재하는 다양한 에너지를 전기에너지로 변환해 전자기기를 구동하거나 전력을 저장할 수 있도록 하는 장치.

2.고분자-이온 복합층

탄성체 기반의 고분자 매트릭스에 이온성 액체를 균일하게 복합화한 층으로, 유연성과 신축성을 내재적으로 갖추는 동시에 이온 이동이 용이한 특성을 지닌다.

3.양전위로 대전된 층

표면전위를 양전위로 형성하기 위해, 고분자-이온 복합층에 양전하를 갖거나 양전하로 대전될 수 있는 고분자를 복합화한 층. 고정된 양전하 또는 양전하화 가능한 작용기를 통해 이온성 액체의 음이온과 상호작용하여 이온성 액체의 해리를 용이하게 하며, 양이온 이동이 선호되는 층.

4.음전위로 대전된 층

표면전위를 음전위로 형성하기 위해, 고분자-이온 복합층에 음전하를 갖거나 음전하로 대전될 수 있는 고분자를 복합화한 층. 고정된 음전하 또는 음전하화 가능한 작용기를 통해 이온성 액체의 양이온과 상호작용하여 이온성 액체의 해리를 용이하게 하며, 음이온 이동이 선호되는 층.

5.동종접합/이종접합(Homo-/Heterojunction)

동종접합과 이종접합은 서로 다른 층을 접합해 하나의 기능성 구조를 형성한 접합 구조를 의미하며, 각 층은 표면전위가 양전위 또는 음전위로 대전된 상태를 갖는다. 동종접합(homojunction)은 동일한 전위로 대전된 층이 맞닿은 구조로, 양전위–양전위 또는 음전위–음전위 층의 조합을 말한다. 이 경우 접합 계면에서 전위 차이가 거의 형성되지 않아 이온 이동이 제한적이며, 그에 따른 전기적 출력도 상대적으로 낮다. 반면, 이종접합(heterojunction)은 서로 상이한 전위로 대전된 층, 즉 양전위층과 음전위층이 접합된 구조이다. 이러한 구조에서는 접합 계면에서 전위 비대칭이 형성되어 자발적인 이온 재배치와 전하 분리가 유도되며, 그 결과 동종접합 대비 약 30배 이상 향상된 출력 성능을 나타낸다.

[붙임] 그림설명

그림1. 전기 가오리를 모방한 적층형 이온 전기셀 구조

(우측) 양전하층(위쪽)과 음전하층(아래쪽)이 맞닿을 때 내부 전기장이 형성되는 과정을 단계별로 보여준다. 전기장은 고분자 내부의 이온을 한쪽으로만 이동시키고, 이동한 이온이 계면에 쌓여 전압을 일정하게 유지한다

(좌측 하단) 단위 전기셀(이온 이중층 이종접합 기반 무자극 에너지하베스터, BIAS)을 전기 가오리의 전기세포처럼 같은 방향으로 적층할 때 전압이 직렬로 더해지는 원리를 나타낸다. 층 수가 늘어날수록 전압이 선형적으로 상승하며, 적층 구조 전체에서 안정적인 직류 전압을 얻을 수 있다

그림2. 선행 에너지 하베스터(발전기) 대비 단일 소자 성능 비교