일상적인 움직임만으로 웨어러블 기기 충전한다

[이데일리 강민구 기자] 한국과 싱가포르 연구진이 웨어러블 기기의 자가 충전을 위한 새로운 방법을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 서동화 신소재공학과 교수 연구팀이 이석우 싱가포르 난양공대 전자공학과 교수 연구팀과 국제공동연구를 통해 새로운 전기화학적 에너지 수확 방법을 개발하고, 기존 기술 대비 10배 높은 출력과 100초 이상 지속되는 전류를 생성했다고 10일 밝혔다.

연구진의 사진.(왼쪽부터)난양공대 이석우 교수, 이동훈 박사, KAIST 서동화 교수, 송유엽 박사과정.(사진=KAIST)

운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 보통 압전과 마찰전기 방식으로 순간적으로 높은 전력을 발생시킬 수 있다. 하지만 내부 저항이 높아 전류가 짧게 흐르는 한계가 있다. 이에 따라, 보다 효율적이고 지속 가능한 에너지 하베스팅(수확) 기술이 요구되고 있다.

이에 연구팀은 물과 이온성 액체 전해질에 전극을 각각 담가 이온의 이동으로 발생하는 전위차(전기적 위치에너지)를 이용해 전력을 수확하는 새로운 방식을 개발했다.

연구팀은 이온이 전해질과 전극 계면에서 산화·환원 반응을 통해 에너지를 어떻게 발생시키는지 더 깊이 이해하기 위해 제1원리 기반 분자동역학 시뮬레이션(양자역학 법칙을 사용해 전자들의 거동을 계산하는 것)을 수행했다.

그 결과, 이온이 각 전해질에서 주변 용매와 상호작용하는 방식과 전해질 환경 따른 전극 내부에서의 주변 상호작용 에너지가 다르게 나타났다.

연구진은 또 시스템을 여러 개 직렬로 연결하면 출력 전압을 높일 수 있다는 것도 확인했다. 그 결과 계산기를 작동시킬 수 있을 정도인 935mV의 전압을 달성했다. 저전압 기기나 웨어러블 디바이스와 같은 장치에 적용할 수 있는 수준이다.

서동화 교수는 “일상적인 움직임, 즉 저주파 운동에서도 효율적으로 에너지를 수확할 수 있다는 점을 확인했다”며 “시뮬레이션과 실험의 협업을 통해 에너지 수확 원리를 깊이 이해해 설계 가이드라인을 도출하고, 상용화 가능성을 높였다”고 말했다.

연구 결과는 네이처 커뮤니케이션에 지난 10월 19일자로 온라인 출판됐다.