대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 로봇및기계전자공학과 김회준 교수팀이 버려지는 코코넛 껍질 섬유의 압전 특성을 활용한 유연한 에너지 하베스팅 소자를 개발했다고 5일 밝혔다. 이 연구는 친환경 에너지원의 활용 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
압전 에너지 하베스팅 기술은 우리 생활 속에서 발생하는 다양한 기계적인 진동 또는 움직임으로부터 에너지를 확보하는 차세대 친환경 에너지원으로 관심이 높아지고 있다. 하지만 기존의 압전 소재들은 납과 같은 유해하고 충격에 취약한 단단한 소재들이 주를 이루고 있었다.
이에 김회준 교수 연구팀은 코코넛 껍질에 주목했다. 코코넛은 열대지역에서 쉽게 재배가 가능한 식용식물로서 버리는 부분이 없는 열매로 알려져 있다. 열매는 먹을 수 있으며 코코넛 워터는 음용이 가능하다. 반면 단단한 껍질은 수세미와 같은 용도로 비행기 엔진 청소 등에 사용되고 있지만 수요에 비해 버려지는 양이 월등히 많다. 매년 2.5억t의 코코넛 껍질이 버려져 지구온난화와 토지 환경오염의 주범이라는 오명을 얻었다.
김회준 교수 연구팀은 단단한 코코넛 껍질의 섬유에서 균일한 결정을 가진 형태로 구성된 셀룰로오스 구조를 관찰했다. 방향성을 지닌 셀룰로오스 나노결정은 압전성을 지니고 있어 다양한 에너지 또는 자가발전 센서로 활용할 수 있다. 연구팀은 이를 활용해 코코넛 껍질의 섬유로부터 고순도의 파우더를 추출하는 공정을 통해 압전 나노파우더를 확보하고 이를 압전 폴리머인 이소불화비닐(PVDF)에 적용해 고효율 압전 에너지 하베스터를 개발했다.
코코넛 파우더-PVDF 복합체의 특성분석을 통해 기존 PVDF보다 우수한 압전성을 확인했으며 이를 기반으로 제작된 에너지 하베스터는 약 16배 높은 출력전압과 12배 높은 출력전류량을 달성했다.
연구를 통해 제작된 코코넛 섬유 기반 에너지 하베스터는 LED 전구, 전자계산기와 같은 소형 전자기기의 전력원으로 활용이 가능하다. KF94 마스크에 부착해 사용자의 호흡과 기침 패턴 분석에 활용했는데 추출된 호흡패턴의 분석을 통해 건강의 이상 유무 판단도 가능했다.
디지스트 로봇및기계전자공학과 김회준 교수는 “개발한 코코넛 껍질 기반 에너지 하베스터를 이용한 소형 전자기기와 기침 패턴 분석은 외부 전력 없이 개발된 에너지 소자만으로 가능했다”며 “친환경 소재에도 우수한 압전 특성이 존재해 기존 재료의 한계를 뛰어넘을 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구, 디지스트 기본사업의 지원을 통해 이루어졌으며 친환경 에너지 분야 국제 학술지(Sustainable Materials and Technologies)에 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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