다아라 매거진 _ 2018.08

기술뉴스

[Technical News]에너지 수확기, 스스로 발전하고 빛에 반응하는 수준까지 이르러

자가구동 신소재기반 IoT 및 광전자센서 개발 기대

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SbSI 소재기반 압전나노발전기의 모식도 및 사진


나노발전기는 아주 작은 크기의 물질을 이용해 인체의 움직임과 같이 주변에서 흔히 발생하는 기계적 에너지로부터 전기 에너지를 수확한다. 발전기가 작고 가벼우며 구동회로가 단순화·집적화될 수 있어, 착용형·휴대용·신체이식형 기기에 적용될 미래지향적 기술이다.

이러한 나노발전기에 빛을 검출하는 능력도 더해졌다. 김상재 교수(제주대학교)와 연구팀(유바스리 프루소다만, 나가말레스와라 라오알루리, 아룬구말 찬다르세카르 박사과정생)이 안티모니 요오드화황(SbSI) 화합물 소재를 사용해 다기능 감광성 압전 나노발전기를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.

연구팀은 압력·진동에 의한 자가발전과 광검출 특성을 동시에 갖는 새로운 강유전성 나노소재를 활용해 나노발전기를 한층 발전시켰다.

소재로 쓰인 SbSI은 3원계 물질로서, 압전, 반도체, 광반응 특성 등 다양한 기능이 있다. 이를 사용하여 처음으로 제작된 압전나노발전기는 2N(뉴턴)의 작은 외력에도 5V(볼트), 150nA(나노암페어)의 전류를 생성하고, 적색 빛을 조사했을 때 0.1~0.01초 만에 반응하는 뛰어난 광스위칭 속도를 보였다.

김상재 교수는 “개발된 SbSI 나노발전기는 자체발전, 감광성 압전 특성, 광스위칭 및 응답특성, 자가발전 및 센싱소자의 일체화 등 차별화된 특징이 있다”라며, ”광트랜지스터, 광검출기 등의 차세대 광스위칭 소자 뿐 만 아니라, 전력공급이 어려운 지역의 화재경보 및 초미세먼지 모니터링 시스템 등의 IoT 리모트 센서에 적용될 수 있다“라고 연구의 의의를 설명했다.

연구진에 따르면, 에너지수확기와 검출기가 분리된 자가구동 센싱소자는 여러 개의 소자제작, 인터페이싱유닛, 센싱시스템의 중량화, 소자 회로의 복잡성, 광검출의 감도저하 등의 중요한 문제점을 가지고 있으나, 이 연구에서 개발한 하이브리드 나노발전기는 배터리 없는 유연, 휴대용, 웨어러블, 임플랜터블 광전자시스템으로 작동하는 것이 가능하다.

압전-반도체-광특성의 결합 기구는 SbSI소재를 활용한 유연전자공학, 스위칭 소자, 광다이오드 및 트랜지스터, 광통신 개발이 가능하고, 태양전지, 광검출기, LED 등 광전자센서의 성능을 개선시키는 데 사용할 수 있다.
김 교수는 “후속연구에서는 다른 다양한 원소의 AVBVICVII 족 화합물의 조성에 의한 자가구동 광검출 소자의 개량 및 상용화 통해 지역 및 사회에 공헌하고 먹거리를 창출할 수 있는 가시적인 성과를 도출했으면 한다”고 밝혔다.

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