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2018/01/31 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자 헤드라인

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[이달의 연구자] 홍진표 교수(물리학과)

인체의 움직임으로 1차원 섬유 기반의 에너지 수확 기술을 개발하다

정민주

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/UHbU

내용

손가락에 ‘스마트 반지’를 끼우면 수면시간과 신체 변화를 알 수 있다. 이렇듯 신체 착용 가능한 제품을 ‘웨어러블 기기(wearable device)’라 한다. 시장조사업체 IDC는 웨어러블 기기의 2021년 출하량이 올해 대비 2배 가까이 커질 것으로 전망했다. 장치의 수요가 증가함에 따라 에너지 사용량이 늘어나면서, 에너지를 발생시켜 효율적으로 저장할 수 있는 기술에 대한 필요성도 커졌다. 또한 디자인 변형이 자유로운 웨어러블 전자소자에 대한 관심이 증폭됐다. 이에 홍진표 교수(물리학과)는 신체의 움직임을 통해 에너지를 발생시킬 수 있는 ‘1차원 섬유 소재 기반 에너지 생산 소자’를 개발했다. 
 
▲홍진표 교수(물리학과)를 지난 25일 연구실에서 만났다.

‘1차원 전도성 섬유 실 기반 에너지 수확 기술’을 개발하다

          
이번 연구의 핵심은 ‘1차원 전도성 섬유 실’을 이용하는 것이다. 기존 웨어러블 소자 연구에서는 2차원 섬유 소자를 이용했지만, 디자인 제약이 많고 에너지 효율이 균일하지 않다는 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위해 홍 교수는 세계 최초로 1차원 전도성 섬유 실을 기반으로 다양한 나노 구조물 성장 및 기능화를 이뤄냈다. 또한 '고분자 폴리머' 소재를 인위적으로 제어해 마찰개념을 도입한 새로운 에너지 발생 소자를 개발했다. 각각의 1차원 전도성 실들은 의복화 패키지 기술을 접목한 스마트 옷으로 제작시, 신체의 움직임으로 인한 표면 마찰 현상을 통해 200V 정도의 전압을 발생시킬 수 있다. 홍 교수는 두 물질 사이의 표면적을 넓히는 동시에 발생 전하량을 확대함으로써 에너지 변환 효율을 높였다.
 
물론 작고 가는 1차원 섬유 실에 용액 공정을 통하여 나노구조물을 넣는 것은 쉬운 일이 아니었다. 마찰이 생기면 실이 끊어질 수 있고, 가닥의 개수에 따라 에너지량이 달라질 수 있기 때문이다. 홍 교수는 이번 연구를 통해 이 문제점을 극복하는 기술과, 가닥의 개수에 따라 에너지량을 인위적으로 제어하는 기술을 확보했다. 겹겹이 층을 쌓아보고, 전기가 균일하게 발생될 수 있는지 구부림을 측정하는 등 다양한 시도를 거친 결과물이었다.  
▲(왼쪽부터) 1차원 섬유소재의 구부림을 측정한 결과와 1차원 섬유소재의 신뢰도를 측정한 결과다. (출처: 홍진표 교수)

 
웨어러블 소자 연구는 현재 진행형
 
이번 연구는 기존 ‘2차원 섬유 소자’의 한계점과 문제점을 모두 극복하기 위해 2차원 섬유 대신 ‘1차원 섬유 소재’에 인위적인 기능을 부과하는 신개념을 도입했다. 궁극적으로는 2차원 및 3차원의 의복화 기술을 접목해 고효율의 에너지 생산 소자를 구현하는 것 목표다. 이러한 신개념 에너지 생산 소자는 현재 사용되고 있는 유선 전원 공급이나 충전 방식을 대체해 시공간 제약을 넘어 전선 없이(Wireless), 언제 어디서나 인체의 움직임으로 자가 발전이 가능한 ‘차세대 에너지 생산 소자’라고 할 수 있다.
▲표로 정리한 이번 연구의 개요 (출처: 홍진표 교수)

홍 교수는 “현재는 ‘1차원 전도성 섬유 실’을 통해 발생된 소자와 에너지를 함께 1차원 섬유 실에 저장하는 일을 연구하고 있다”고 말했다. 저장하는 방법으론 우리가 흔히 아는 보조배터리와 함께 ‘슈퍼 커패시터(Supercapacitor)’가 있다. 슈퍼 커패시터는 커패시터(축전기)의 성능 중 특히 전기 용량의 성능을 강화한 것으로서, 홍 교수는 이를 중점적으로 연구했다. 보조배터리는 용량이 크지만 반응속도가 느린 데 비해 슈퍼 커패시터는 용량은 작지만 반응속도가 빠르다는 점을 이용한 것이다. 인체의 움직임으로 에너지를 저장하기 위한 연구의 특성상, 사람들의 움직임을 빠르게 저장하는 것에 주안점을 뒀다.
 
최종목표를 향해가다
 
홍 교수의 최종목표는 1차원 전도성 섬유 실로 에너지를 생성하고 저장한 뒤, 그 에너지를 가지고 IOT(Internet of Things, 사물인터넷) 센서 등을 독립적으로 작동하는 것이다. 사물인터넷은 사물에 센서를 부착해 실시간 데이터를 인터넷으로 주고 받는 기술이나 환경을 일컫는 말로서, 홍 교수는 1차원 섬유 실 기반으로 IOT에 부합하는 다양한 환경 센서 및 바이오 센서 제작을 계획하고 있다. 궁극적으로는 차후 ‘1차원 섬유 소재 기반 에너지 발생-저장-IOT 센서 일체화’ 기술로 활용할 계획이다.
 
또한 홍 교수는 현재의 연구 성과가 섬유산업, 의학, 전자산업 분야 등 다양한 분야에 중요한 변화를 일으킬 것이라고 말했다. “소방관 안전복에 화재 현장의 온도와 유독가스를 측정하는 센서를 부착하고, 소방관의 움직임으로 전기를 발생시켜 센서 장치의 유지를 돕는 세상이 올 것입니다. 새로운 에너지가 산업에 미치는 영향은 지대할 것으로 예측하고요.”


글/ 정민주 기자          audentia1003@hanyang.ac.kr
사진/ 이진명 기자       rha925@hanyang.ac.kr
 
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