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[대학저널] 한 번의 움직임으로 전기 두 번 생산하는 에너지 하베스팅 소자 ...
​경희대 전자공학과 김대원 교수 연구팀, 정전 기반 발전 및 압전 기반 발전 융합기존 대비 높은 전기적 출력과 유연성, 작은 소자 크기까지 확보​[한국대학신문 이정환 기자] 경희대학교(총장 한균태) 전자공학과 김대원 교수 연구팀이 정전 기반 발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)와 압전 기반 발전기(Plezoelectric Nanogenerator, PENG)를 단일 혼합형 에너지 소자로 제작했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 (IF=19.069)에 11월 온라인 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부, 부산대학교 병원의 지원을 받았다.◇실리콘 고무 고분자 삽입해 기존 한계 극복단일 혼합형 에너지 소자를 만들기 위한 다양한 시도는 기존에도 있었다. 하지만 단순히 두 개의 전기 발전기를 이어 붙이는 형태로 큰 소자 크기와 부족한 유연성이라는 한계에 봉착했다. 김대원 교수 연구팀은 하나의 소자에 두 가지 메커니즘을 적용해 진정한 의미의 단일 혼합형 에너지 소자를 구현했다. 윤종현 학생은 “실리콘 고무 고분자(폴리디메틸실록산, PDMS)를 압전 물질(BaTiO3)에 집어넣어 하나의 필름층에서 정전기와 압전 효과로 전기를 동시에 생산하도록 구현해 소자 크기를 줄였다. 또한 탄소 기반의 물질(MXene)을 추가로 삽입해 유연성을 갖추고 동시에 전기적 출력도 높였다”고 설명했다.압전 물질에 실리콘 고무 고분자가 내부에서 뭉치지 않고 골고루 퍼져 삽입되도록 구현하는 것이 연구의 핵심이었다. 윤종현 학생은 “초기에는 탄소 기반 물질의 함량이 높아지면 압전 물질과의 시너지 효과로 전기적 출력이 증가했지만, 탄소 기반 물질 함량이 일정 수준 이상 높아지면 실리콘 고무 고분자 내부에서 고르게 퍼지지 않고 뭉치는 현상이 발생해 전기적 출력이 감소했다. 이를 해결하기 위해 실리콘 고무 고분자의 점도를 계산해 뭉침 현상이 발생하지 않는 지점을 찾았고, 전자현미경으로 내부를 관찰해 실증했다”고 밝혔다.​ 제작된 소자의 모형 및 실제 사진(왼쪽), PDMS 내부에 들어간 물질에 따른 소자에서 발생한 전기적 출력(오른쪽)  ◇“에너지 하베스팅 기술로 로봇, 센서, 웨어러블 등 다양한 장비의 전력원 구현 가능해” 소자 작동원리에 대한 설명도 있었다. 김대원 교수는 “소자에 외부 물체가 수직으로 압력을 가하면 일차로 외부 물체와 접촉한 표면에서 마찰 대전으로 정전기가 유도된다. 그 후 소자가 더 눌러지면 압전 물질에서 분극 현상이 발생해 전기가 추가로 생성된다”며 “한 번의 압력을 활용해 두 가지 방식으로 전기를 생성해 단일 소자 대비 더 많은 전기를 획득할 수 있다”고 강조했다. 개발한 소자는 45N의 힘을 가했을 때 80V의 개방회로전압과 14㎂의 단락회로전류, 13.5W/㎡의 전력밀도를 보였다. 이는 가벼운 손짓으로 한 번에 129개의 LED 등을 켤 수 있는 수치다. 연구팀은 소자를 전력원으로 하는 로봇 팔 제어 및 물질 구분 시스템을 애플리케이션으로 구현했다. 김대원 교수는 “이번 사례와 같이 향후 에너지 하베스팅 기술은 로봇, 센서, 웨어러블 장비의 전력원으로 사용할 수 있다”고 설명했다. 연구팀은 앞으로도 에너지 하베스팅 연구를 지속할 계획이다. 김대원 교수는 심장 박동, 몸의 떨림을 에너지 하베스팅으로 수확하는 생체 전력원 연구에 매진한다. 윤종현 학생은 저전력 장치에 에너지 하베스팅 소자가 전력원으로 활용될 수 있도록 상용화에 도전한다. 구체적으로 소자 성능을 지속 향상해 자가구동 시스템 구현이 목표다.  출처 : 한국대학신문 - 409개 대학을 연결하는 '힘'(https://news.unn.net)​ 
2022-12-15
  • [대학저널] KHYSS는 세계적 학자로의 성장 관문

    ‘2021학년도 KHYSS 장학생 세미나’가 개최됐다. KHYSS는 ‘Kyung Hee Honor Young Scholar Society’의 약자로 탁월한 성취가 기대되는 대학원생을 지원해, 이들을 세계적 학자로 육성하는 프로그램이다.2021학년도 KHYSS 장학생 세미나, 1기 선정자 지난 연구 성과 발표4단계 BK21 대학원 혁신지원사업 지원으로 KHYSS(세계적 학자 육성 프로그램) 운영생활비 및 학술연구활동지원비 지급해 안정적 연구 환경 조성 및 연구자 역량 강화‘KHYSS(Kyung Hee Honor Young Scholar Society)’는 탁월한 성취가 기대되는 대학원생을 지원하고, 이들을 세계적 학자로 육성하는 프로그램이다. 교육부와 한국연구재단이 지원하는 4단계 두뇌한국(BK21) 사업의 대학원 혁신지원사업의 일환으로 대학원혁신지원사업단이 운영하고 있다. 선정 학생에게는 ‘생활비’와 ‘학술연구활동지원비’를 지급했다. 2021년에는 4명의 학생이 선정돼 1년 동안 매달 백만 원을 지원받았다. 2022년에는 총 8명을 선정하며, 선정자에게는 매달 백만 원의 생활비와 최대 6백만 원 이내의 학술연구활동지원비(실비)를 지원한다.임성수 대학원장은 “KHYSS 1기는 연구 업적과 성실성 면에서 자타가 공인하는 우수한 학생들이다”라며 “안정적 성장 환경을 조성하려 생활비 지원 프로그램도 개발했다. 비슷한 목표를 가진 여러분이 목표와 열정을 공유하며 같이 성장하는 집단이 됐다면 좋겠다”라고 응원했다.1기 학생 심층 인터뷰로 프로그램 보완해 2기 선발대학원혁신지원사업단은 지난해의 성과를 바탕으로 올해 KHYSS 2기를 선발하고 있다. 1기 학생 대상 심층 인터뷰를 기반으로 프로그램도 보완했다. 5월 중순 진행한 ‘2021학년도 KHYSS 장학생 세미나’는 1기 학생들의 학술 성과를 공유하기 위한 자리로 1기 학생 4명이 그간의 성과를 발표했다. 행사에는 임성수 대학원장(대학원혁신지원사업단 단장), 대학원혁신지원사업단 전택승 부단장, 정남호 관광대학원장, 환경응용과학과 유창규 교수, 스마트관광원 김봉석 교수 등이 참석했고, 대학원혁신지원사업단 유세란 학술연구교수가 사회를 맡았다.임성수 대학원장은 KHYSS가 경희대와 대학원에 갖는 중요성을 강조했다. 그는 “대학원의 성공이 없다면, 세계적 대학으로의 성장은 불가능하다. 대학원의 성공에는 세계적 연구자와 세계적 학문 후속세대가 필수적이다”라며 KHYSS의 당위성을 성명했다. 이어 “KHYSS 1기는 연구 업적과 성실성 면에서 자타가 공인하는 우수한 학생들이다. 이들은 이제 세계적 수준의 연구자가 되는 길로 진입했고, 전 세계 대학원생들과 비교해도 탁월한 연구 실적을 쌓고 있다”라며 “안정적 성장 환경을 조성하려 생활비 지원 프로그램도 개발했다. 비슷한 목표를 가진 여러분이 목표와 열정을 공유하며 같이 성장하는 집단이 됐다면 좋겠다”라고 응원했다.행사는 발표와 간담회로 나뉘어 진행됐다. 발표는 △지능형 DeepAI 융합기술 기반 Greenest 친환경 프린팅 자율제어&자율 설계 원천기술 연구(환경응용통합과학과 허성구 석박사통합과정) △여러 에너지 수확 장치들과 에너지 저장 소자의 융합을 통해 통신 장치에 적용 가능한 에너지원 및 자가 발전 센서 개발(전자정보융합공학과 김인겸 박사과정) △지속가능성과 경쟁력 제고를 위한 스마트관광에서의 MICE 산업 연구(스마트관광원 이은영 박사수료) △한국 후기 구석기 기술의 진화와 행위맥락의 분석(사학과 정동희 박사과정) 순으로 진행했다. 발표자들의 전공은 달랐지만, 해당 분야의 전문성을 쌓으며 세계적 수준의 연구를 수행하는 열정이 돋보였다.허성구 석박사통합과정생은 다차원 프린팅에서 생성되는 폐수와 폐가스 친환경 공정시스템을 연구하고 있다. 그는 인공지능 기술과 환경친화적(Greenest) 자율제어 및 자율 설계의 원천기술을 개발하고 있다.허성구 석박사통합과정생, 다차원 프린팅의 폐수·폐가스 친환경 공정시스템 연구허성구 석박사통합과정생은 ‘지능형 다차원 프린팅 소재 및 시스템 융합기술 교육연구단’에서 성장하고 있는 연구자다. 4차 산업혁명 시대의 신산업으로 시장 규모와 기술에 대한 수요가 급격히 증가하고 있는 다차원 프린팅에서 생성되는 폐수와 폐가스 친환경 공정시스템에 관해 연구하고 있다. 그는 인공지능 기술과 환경친화적(Greenest) 자율제어 및 자율 설계의 원천기술 개발을 단계별로 진행하고 있다.지난해에는 빅데이터 해석을 기반으로 프린팅 폐기물 처리시설의 디지털트윈(Digital Twin, 물리적 사물을 가상의 디지털에서 구현하는 것) 모델을 구축해 처리 효율 예측과 이상 진단 연구를 수행했다. 올해는 프린팅 폐수와 폐가스에 특화된 환경친화적 처리 공정시스템의 자율제어를 연구하고 있다. 이후에는 선행연구를 활용한 플랜트 구축을 위해 빅데이터 기반 친환경 자율 설계 연구를 수행할 계획이다. 이 과정에서 기후변화학회 최우수논문상(환경부장관상)을 수상했고 SCI급 저널에 제1저자 10편, 공동 저자 12편의 논문을 게재했다. 특허도 등록 1건, 출원 4건을 달성했다.김인겸 박사과정생은 화석연료 사용을 줄이기 위한 대체 에너지 생산과 에너지 수확 기술을 연구하고 있다. 관련 연구로 지난해에만 SCI급 저널에 10개의 논문을 게재했다.탈탄소화 이끄는 대체 에너지 및 에너지 수확 기술 연구한 김인겸 박사과정생김인겸 박사과정생은 지난해에만 SCI급 저널에 10개의 논문을 게재했다. 그는 에너지 수확 장치와 에너지 저장 소자를 융합해 통신 장치에 적용할 수 있는 에너지원과 자가 발전 센서를 개발하고 있다. 지속가능한 지구를 위한 연구라는 점에서 앞선 발표자와 유사한 문제의식을 공유하고 있었다. 4차 산업혁명의 도래와 함께 센서나 웨어러블 기기, 사물인터넷 관련 기술이 주목받고 있다. 이를 위해서는 ‘기기와 기기’ 또는 ‘기기와 사람’ 간 통신 기술의 개발도 필요하다. 기존에는 유선으로 전력을 공급하거나, 배터리를 내장해야 했다. 이런 전력의 생산에 화석연료의 사용이 크고, 탈탄소화를 위해서는 전자기기의 전력 사용량을 줄여야 한다.이런 과정에서 주목받는 기술이 대체 에너지와 에너지 수확 기술이다. 바람, 비, 태양광과 같은 자연의 에너지원이나 사람의 움직임, 호흡, 맥박, 온도 등의 신체 에너지도 사용할 수 있다. 기존의 에너지 저장 기술과 융합해 사물인터넷에도 활용할 수 있다. 김인겸 박사과정생은 수확한 에너지의 손실을 최소화해 기기에 전달하는 인터페이스 회로를 구성해 에너지 저장 소자로 전달하는 방법을 연구하고 있다. 관련된 소자를 개발했고, 그 소자의 효용성도 확인했다.코로나 팬데믹으로 마이스(MICE) 산업은 큰 타격을 입었다. 이은영 박사수료생은 관련 산업의 실무자들이 관심 가질 연구를 수행했다. 마이스 산업의 지속가능성과 경쟁력 제고가 목표였다.코로나 팬데믹으로 타격 입은 마이스(MICE) 산업의 변화 살핀 이은영 박사수료생이은영 박사수료생은 스마트관광에서 마이스(MICE) 산업의 실무자를 도울 수 있는 연구를 수행했다. 코로나 팬데믹은 마이스 산업에도 큰 타격을 줬다. 2020년 상반기 국내에서 개최 예정이었던 전시회의 70%가 불발되거나 연기됐다. 산업계에서 터져 나온 디지털 전환 요구는 어쩌면 당연했다. 하지만 ‘전시회 참관객이 코로나19와 같은 바이러스 질환을 얼마나 위험하다고 생각하는지’나 ‘온라인·하이브리드 전시회의 플랫폼’에 관한 연구는 적었다. 이은영 박사수료생의 연구는 여기서 시작했다. 그는 산업계의 지속가능성과 경쟁력 제고를 연구의 목적으로 설명했다.연구 결과는 세 개의 논문으로 정리했다. ‘소셜네트워크분석을 활용한 국가재난 시 전시산업의 협력적 거버넌스 구축 연구’, ‘코로나19 이후 등장한 온라인 전시회 유형: 온라인 전시회 플랫폼 특성을 중심으로’, ‘감염병 창궐 상황에서 잠재적 참관객의 위험지각이 위험감소전략에 미치는 영향’이 그것. 이 연구들은 재난 발생 시의 전시산업 생태계의 효율적 의사소통 방법이나 온라인 전시회 플랫폼의 유형을 이론적으로 분석한 결과로 실무적 도움이 될 수 있는 정보를 담았다. 이은영 박사수료생은 연구 논문 외에도 다양한 기관의 과제와 학술대회에 참가했다. KHYSS의 지원으로 파이썬을 활용한 소셜 빅데이터 분석 교육을 수료해 향후 연구에도 활용할 계획이다.정동희 박사과정생은 연구자로서 자신이 가진 문제의식과 학문 방향성을 소개했다. 세미나 참석자들은 그의 연구 방법과 방향성에 대해 긍정적 인식을 드러냈다.정동희 박사과정생, 사료 풍부한 한국 구석기 고고학 유적 형성과정과 행위맥락 분석앞선 발표자들이 실용적 연구를 중점적으로 했다면, 정동희 박사과정생은 학문의 기초를 다루는 연구자이다. 그는 자신이 가진 문제의식과 학문 방향성을 설명했다. 그는 사료가 양적으로 풍부한 한국 구석기 고고학 유적 형성과정의 행위맥락 분석을 시도하고 있다. 현재 남아 있는 유적들은 복잡한 유적 형성과정의 결과물로, 장기간 문화·자연적 변형을 겪으면서 과거의 행위맥락에 교란이 발생했다. 정동희 박사과정생은 ‘본거지’와 ‘한정행위장소’를 대조하며 고고학적 함의를 파악하고 있다. 본거지는 생활공간으로 이 유적에서는 주변에서 구하기 쉬운 돌감으로 만든 다종다양한 석기가 발견된다. 한정행위장소는 사냥 야영지나 석기 제작을 위한 원석 획득 장소인데, 비교적 희소하고 질 좋은 돌감으로 만든 특정 석기의 비중이 높다. 유물의 종류를 분류하고 분석해 유물이 발견된 공간의 성격을 규정할 수 있다.또 다른 연구에서는 천삼백 점이 넘게 발견되는 ‘돌화살촉’이 5천 년에 가까운 시간 동안 다양한 형태변이를 보이는 점을 계통발생학적 방법으로 분석하고 있다. 석기의 구성과 탄소연대를 살펴서 제주 고산리 유적을 5천 년이 넘는 오랜 시간에 걸쳐 수렵채집민이 단속적으로 점유해 형성한 결과라는 분석을 내놓았다. 세미나 참가자들은 정동희 박사과정생의 연구 방법론에 대한 긍정적 반응을 보이기도 했다. 한 국제 저널에서는 그의 연구를 관련 분야의 리뷰 논문으로 확장할 것을 요청했다. 임성수 대학원장은 “해외 저널에서 리뷰 논문화를 먼저 제안한 점도 큰 의미가 있다”라고 설명했다.발표 이후에는 KHYSS 프로그램에 대한 참가자들의 의견을 듣는 시간이 있었다. KHYSS 지원범위 확대에 관한 이야기가 주를 이뤘고, 분야별로 다른 연구 환경 조성에 관한 어려움도 공유했다. 대학원생이 해외 연구 환경을 체험하거나 강의 경험을 쌓는 방안에 대한 요청도 있었다. 연구자만이 아니라 교육자로서도 성장 가능한 대학원생들에게 꼭 필요한 경험들이지만, 예산이나 내부의 의견 교환 과정에서 직접 진행되지 않던 지원 방안들에 대한 의견도 교환했다.KHYSS 1기 선발자들은 프로그램 지원 1년간 탁월한 성취를 이뤘다. 임성수 대학원장은 이들을 “세계적 연구자가 되는 길에 이르렀다”라고 평가하기도 했다.  

    2022-06-13 940
  • [대학저널 외 5] 정전기로 사물인터넷 해킹 막는다

                                      사진은 왼쪽부터 윤종현 학생, 김대원 교수 전자공학과 김대원 교수·윤종현 학생, 사물인터넷 해킹을 방지하는 소자 개발 정전기를 이용해 사용자 정보 저장, 저장 공간이 물리적으로 분리돼 정보 유출 방지 "줄어든 노이즈, 높아진 정확도로 개선된 결과물 선보일 것"​일반대학원 전자정보융합공학과 윤종현 학생이 사물인터넷 플랫폼에서 무선 네트워크를 활용한 해킹을 원천적으로 차단하는 기술을 개발했다. 지도교수인 전자공학과 김대원 교수가 교신저자로 참여했고, 연구 결과는 재료 분야 국제적인 학술지인 에 게재됐다. 윤종현 학생은 “논문을 지도해준 김대원 교수님과 도움을 준 동료에게 감사하다. 또한, 학부 과정 동안 배운 전자공학으로 기술을 개발했다는 사실에 큰 성취감을 느낀다”는 소감을 전했다. 5G 시대가 도래한 이후 사물인터넷이 보편화돼 누구나 쉽게 접할 수 있다. 인공지능 스피커, 스마트 홈과 같은 사물인터넷은 우리 일상에 편리한 기능을 제공하지만, 사물인터넷 해킹으로 인한 피해도 급속도로 커지고 있다. 지난 2015년에는 사물인터넷 해킹으로 약 14조 원의 재산 피해가 발생했고, 다가올 2030년에는 사물인터넷 해킹으로 인한 피해가 27조 원에 달할 것으로 예측된다.기존 사물인터넷은 무선 네트워크를 연결해 사용자 정보를 저장하고 불러온다. 이 방식은 무선 네트워크가 해킹되면 사용자의 개인정보가 유출될 위험이 있다. 김대원 교수 연구팀은 해킹 위험이 있는 무선 네트워크 대신, 물리적으로 분리된 공간에 정보를 저장하는 원판 모양의 마찰전기 나노발전기(TENG, Triboelectric Nanogenerator) 기반 비휘발성 메모리(NVM, Nonvolatile Memory)라는 소자를 개발해 사물인터넷 기기 보안성을 높였다.정전기 기반 비휘발성 메모리로 사물인터넷 해킹 원천 방지비휘발성 메모리는 전자기기의 전원을 꺼도 메모리에 저장된 데이터가 사라지지 않아, 사물인터넷 기기에 사용자 정보를 저장하기 적합한 소재다. 하지만 비휘발성 메모리는 저장된 데이터를 읽을 때마다 전력을 소비하는 문제가 있다. 연구팀은 비휘발성 메모리와 마찰전기 나노 발전기를 접목해 문제를 해결했다. 마찰전기 나노 발전기는 접촉면 사이에 마찰이 발생하면 정전기를 일으켜 전기를 생산한다. 이 전기로 메모리에 저장된 정보를 읽을 수 있고, 안정적인 전력 공급이 가능하다.연구팀이 개발한 저전력 비휘발성 메모리에 사물인터넷 사용자 식별 정보가 저장된다. 저장된 정보는 91.3%의 높은 정확성을 기록했다. 윤종현 학생은 “이번 연구는 정보를 저장하는 공간이 물리적으로 분리돼 개발한 소자에 저장된 정보 유출이 불가능해 의의가 크다”고 설명했다. 이어 “기술을 상용화하기 위해 크기를 줄이고, 정밀도를 높여야 한다. 앞으로 후속 연구를 계속 진행해 성능이 더 향상된 소자를 개발하겠다”라고 말했다. 김 교수는 “정전기를 이용한 전기 신호는 노이즈가 생겨 정보를 읽는데 오류가 발생한다”며 “오류를 극복하기 위해 생성된 전기 신호를 디지털화했는데 노이즈가 줄고 저장된 정보를 읽는 과정에서 정확도가 높아져 향후 더욱 개선된 결과물을 선보일 수 있을 것”이라고 평가했다.스스로 생각하는 능력이 미래를 이끌 엔지니어의 덕목연구 아이디어는 일상에서 쉽게 접할 수 있는 무선전자태그(RFID, Radio Frequency Identification)에서 얻었다. RFID는 전원을 필요로 하는 능동형과 전자기장에 의해 작동하는 수동형으로 나뉜다. 김 교수는 수동형 RFID의 작동원리에서 영감을 받았다. 그는 “정전기를 기반으로 한 에너지 하베스팅 기술을 이용해 구현하면 사물인터넷 해킹을 막을 수 있다고 판단했다.”고 말했다. 에너지 하베스팅 기술은 태양광, 진동, 열, 풍력 등 자연적으로 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환하고 수확하는 기술이다.김 교수는 흥미로운 아이디어를 떠올리면 학생과 공유해 연구 주제를 정한다. 이 과정에서 학생은 아이디어를 구체화하고 스스로 더 깊게 탐구한다. 김 교수는 “한국 학생은 듣고 읽는 능력은 매우 뛰어나다. 하지만 이는 수동적인 교육을 받은 증거다. 자기 생각을 다른 이에게 효과적으로 전달하고 설득하기 위해서는 말하고 쓰는 능력을 기르고, 능동적인 사고를 할 수 있어야 한다”고 말했다. 김 교수의 연구 철학은 연구실 모토에 반영됐다. 김 교수는 “‘능동적이며 주인의식을 가진 프로가 되자’라는 모토에 맞춰 학생을 지도하고 있다. 미래 기술과 사회를 이끄는 엔지니어를 양성하는 것이 목표”고 말했다.“대학원은 문제 해결 능력과 전문성을 기를 기회”윤종현 학생은 “내가 디자인한 소자를 전 세계가 활용하는 것이 꿈이다. 이 꿈을 이루기 위해 대학원에 진학했다”고 말했다. 윤종현 학생은 “학부생 때는 정해진 범위에서 지식을 축적했다면, 대학원은 정해진 범위 없이 스스로 공부하며, 당착한 문제를 해결해야 한다. 이 과정에서 능동성과 전문성을 기를 수 있다”며 학부와 대학원의 차이점을 설명했다. 윤종현 학생은 대학원에서 정전기 기반 에너지 하베스팅 기술을 연구하며 폭넓은 경험을 쌓고 있다. 향후 차세대 나노 소자를 결합한 융합 연구 진행이 목표다.김대원 교수는 에너지 하베스팅 연구를 더욱 발전시킬 계획이다. 김 교수는 “에너지 변환 기술은 소자의 구조를 바꾸거나, 물질을 바꾸는 작은 범위에 국한된 연구를 진행하고 있다. 기술 상용화를 위해 전기에너지를 손실 없이 기기에 전달해야 한다”고 설명했다. 이어 “앞으로는 소자 연구 외에도 회로설계, 시스템 연구로 연구 범위를 넓혀 에너지 하베스팅 시스템을 구현하고 싶다”고 힘말했다.[내일신문] : http://www.naeil.com/news_view/?id_art=389805[베리타스알파] : http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=372635[천지일보] : http://www.newscj.com/news/articleView.html?idxno=871088[교수신문] : http://www.kyosu.net/news/articleView.html?idxno=70059[뉴스원] : https://www.news1.kr/articles/?4343118

    2021-06-24 1539
  • [대학저널 외 8] 비가 오나 바람이 부나··· ‘1석 3조’ 전력 생산 소자 개...

                                                                                                            노현희(전자공학과 박사 2기) 학생이 날씨와 관계없이 전력을 생산하고, 날씨 모니터링 센서로도 활용할 수 있는 자가발전 소자를 개발했다. 사진 왼쪽부터 노현희 학생과 지도교수인 김대원 전자정보대학 교수. 노현희 학생·김대원 교수, 날씨 관계없이 전력 생산하는 자가발전 소자 개발 태양 전지 양면에 ‘마찰 전기 소자’ 부착해 비, 바람 통해서도 에너지 수확 “기존 태양 전지와 크기 비슷하고, 효율 훨씬 높아··· 미래 농업에 크게 기여할 것”노현희 학생·김대원 교수, 날씨 관계없이 전력 생산하는 자가발전 소자 개발 태양 전지 양면에 ‘마찰 전기 소자’ 부착해 비, 바람 통해서도 에너지 수확 “기존 태양 전지와 크기 비슷하고, 효율 훨씬 높아··· 미래 농업에 크게 기여할 것” 노현희(전자공학과 박사 2기) 학생이 날씨와 관계없이 전력을 생산하고, 날씨 모니터링 센서로도 활용할 수 있는 자가발전 소자를 개발했다. 지도교수인 김대원 교수가 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야의 저명한 국제학술지인 <nano energy="">(IF: 15.548, JCR 상위 3.7%)에 게재됐다.</nano> 노현희 학생은 “이번 연구로 태양광과 비, 바람에서 전기에너지를 얻을 수 있는 일체형 자가발전 소자를 개발하고, 이를 날씨 모니터링 시스템에도 활용할 수 있음을 입증했다”라며 “주변 환경에 큰 영향을 받는 정전기를 다루는 일이고, 소프트웨어까지 개발하기가 쉽지 않았지만 뜻깊은 성과를 거둬 기쁘고, 지도교수님을 비롯해 도움을 주신 분들께 감사하다”는 소감을 밝혔다.  다양한 에너지원에서 전기에너지 얻는 하이브리드형 발전 소자  ‘에너지 하베스팅(Energy Harvesting)’이란 일상에서 버리거나 쓰지 않은 에너지를 거두어 사용 가능한 전기에너지로 바꿔주는 기술을 말한다. 신체 움직임, 태양광, 진동·압력, 폐열, 전자파, 바람 등이 대표적인 신재생 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만, 가장 대중적인 태양광의 경우 햇빛이 있어야만 전기를 생산할 수 있고, 시간이 지날수록 태양 전지 표면이 오염돼 생산 효율이 떨어지는 단점이 있었다. 이러한 문제를 해결하고자 노현희 학생과 김대원 교수는 태양 전지에 빗방울과 바람에서 에너지를 얻을 수 있는 ‘마찰 전기 소자’를 부착했다. 태양 전지 위쪽에는 불소화에틸렌프로필렌(FEP) 소재의 필름과 전기전도성이 있는 2개의 투명도전막(ITO)으로 만들어진 소자를 붙였다. 필름 표면에 빗방울이 떨어지면 전자가 움직여 전기에너지를 얻는 방식이다. 해당 소자는 물에 젖지 않고 흐르게 해 태양 전지 표면을 씻어낼 수도 있다. 태양 전지의 아래쪽에는 2개의 알루미늄 전극판과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 소재의 필름으로 구성된 소자를 달았다. 바람이 불어와 두 알루미늄 전극판 사이의 필름이 깃발처럼 펄럭이면 양쪽 전극판과 맞닿아 마찰이 일어나면서 전자의 흐름을 유도한다. 노현희 학생은 “태양 전지에 2개의 마찰 전기 소자를 달았음에도 크기와 두께는 기존 태양 전지와 큰 차이가 없고, 태양광·비·바람에서 동시 또는 개별로 에너지를 얻을 수 있기에 효율이 훨씬 높다”고 설명하며 “그뿐만 아니라, 마찰 전기 소자의 활성 여부를 통해 밖을 직접 보지 않고도 날씨를 파악할 수 있어 자동으로 농작물을 생산·관리하는 미래 농업에 크게 기여할 것”이라고 전했다.  바이오산업에서 에너지 하베스팅 연구 수행 예정··· “사회에 도움 되는 연구하겠다” 노현희 학생의 말에 따르면 그는 학부생 시절 미국 라스베이거스에서 열리는 국제전자제품박람회(CES)로 전공연수를 다녀온 후 대학원 입학을 결심했다. 자기의 연구주제를 다른 사람들과 공유하고, 끊임없이 지식을 탐구하는 모습에 깊은 인상을 받았기 때문이다. 그는 김대원 교수의 ‘나노 에너지 디바이스 연구실’에 학부 연구생으로 합류해 지금까지 정전기를 활용한 에너지 하베스팅 분야를 연구하고 있다. 연구실에서 화학과 재료공학을 기반으로 한 폭넓은 연구를 수행하며 다른 분야에도 관심이 생겼다는 노현희 학생은 바이오산업에서 에너지 하베스팅 기술을 활용하는 연구를 수행할 계획이다. 그는 “인공심장이나 인공망막 같은 경우 배터리 문제로 크기도 커지고 주기적으로 교체해야 하는데, 에너지 하베스팅 기술을 통해 이러한 문제를 해결하고 싶다. 앞으로 많은 사람에게 도움이 되는 연구를 하는 것이 연구자로서의 목표이다”라고 밝혔다.  나노 에너지 디바이스 연구실에서 연구하는 노현희 학생(왼쪽)과 김대원 교수(오른쪽). 김 교수는 “그동안 에너지 하베스팅 분야에서는 좋은 재료로 효율을 높이려는 단위 소자 연구가 많았다”라며 “하지만, 우리 연구실은 전자공학을 기본으로 단위 소자뿐만 아니라, 발전-저장-작동까지의 모든 과정을 아우르는 연구 수행이 가능하다”라고 소개했다.  해당 기사는 대학 저널 외 아래 8곳에 게재되었습니다.[전자신문] https://www.etnews.com/20200420000214[교수신문] http://www.kyosu.net/news/articleView.html?idxno=50362[이뉴스투데이] http://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=1382447[베리타스알파] http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=320449[환경미디어] http://www.ecomedia.co.kr/news/newsview.php?ncode=1065581317762168[헤럴드경제] http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20200421000290[위키리스트한국] http://www.wikileaks-kr.org/news/articleView.html?idxno=83868[머니투데이] http://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2020042017527476234 

    2020-04-21 3240
  • [ECO ZOOM] "흔들어 주세요" 몸 움직임 이용한 나노발전기 개발

     키네틱 (kinetic) 에너지에 대한 연구가 활발한 가운데 국내 연구진이 일상적인 신체 움직임을 이용해 전기를 생산, 휴대전화 같은 모바일기기를 충전할 수 있는 나노발전기를 개발했다. 키네틱 에너지는 외부의 영향을 받지 않고 에너지를 생산할 수 있어 최근 많은 관심을 끌고 있는 분야이다.사 진 제 공 . K A I S T 최 양 규 교 수​ 에너지 수확기술 연구 활발한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최양규 교수와 김대원 박사 연구팀이 지난 1월11일 선보인 나노발전기는 고분자 가루를 마찰전기 생산 물질로 사용, 모든 방향의 움직임에서 전기를 생산할수 있다. 웨어러블 소자와 인체 삽입형(implantable) 소자, 무선 센서 등 소형 전자소자가 빠르게 발전하면서 몸 움직임이나 체온 등과 같이 주변의 버려지는 에 너지로 전기를 생산, 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 기술이 널리 연구되고 있다. 마찰 대전 방식 출력높고 저렴에너지 수확 기술로는 현재 특히 전자기적 방식이나 압전체 방식이 있다. 전자기적 방식은 대형화에 적합한 구조. 소형화했을 때 에너지 변환효율이 낮아 출력에너지를 높이기 어렵다. 압전체는 누르거나 만졌을 때 전기를 만들어내는 첨단 소재로 에너지변환 효율은 높지만 유전체 재료가 비싸고 제작공정이 복잡해 실용화가 어려웠다. 이런 문제를 극복할 방안으로 마찰-대전 현상(contact-electrification)을 이용한 에너지 수확 기술이 떠오르고 있다. 마찰대전은 물체가 마찰을 일으켰을 때나 마찰에 의하여 접촉 위치가 이동하여 전하 분리가 일어나 정전기가 발생하는 현상. 높은 에너지 출력과 저렴하고 다양한 재료, 간단한 디자인, 저온공정 등이 장점이다. 연구진 설명에 따르면 이번에 선보인 나노발전기는 대전물질로 가루를 사용했기 때문에 형태나 크기를 원하는 대로 제작할 수 있고, 재료와 제조방식 모두 기존의 다른 방식 에너지수확 장치보다 비용이 월등히 저렴하다고 한다.​​ 30㎐ 이내 진동으로 휴대전화 충전또한 대전물질인 불소계 고분자가루가 외부에 노출되지 않아 주변환경에 관계없이 상용화가 가능하며, 인체 움직임 정도인 30㎐ 이내의 진동으로 휴대전화 충전이 가능한 전기를 생산한다고 연구진은 밝혔다.최 교수는 “마찰대전 에너지 수확장치는 실리콘 기반공정을 그대로 적용할 수 있고 소재물질의 다양성, 가격경쟁력, 접근 용이성 등이 커 운동에너지 수확 기술의 응용범위를 모바일 기기 등으로 다양하게 확장시킬 수 있을 것”이라고 말했다. 이 연구는 미래창조과학부 한국연구재단과 나노종합기술원 (NNFC) 지원 사업으로 수행됐으며 연구 결과는 미국화학회(ACS) 학술지 'ACS 나노' 12월23일자 온라인판에 게재됐다.​

    2018-10-08 2541
  • [연합뉴스TV] Energy harvester developed by shaking bottle of water

      

    2018-09-23 2363
  • [YTN science] [탐구 人] Dr.Kim had developed nano electric generator which makes energy from mech...

     

    2018-09-23 2948
  • [연합뉴스] "Shake me!" Nano-generator which using motion of body had developed

     '흔들어 주세요' 몸 움직임 이용하는 나노발전기 개발  KAIST 최양규 교수 "고분자가루 이용, 모든 방향 운동으로 전기생산" (대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 일상적인 신체 움직임 수준의 운동을 이용해 전기를 생산, 휴대전화 같은 모바일기기를 충전할 수 있는 나노발전기를 개발했다.     한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최양규 교수와 김대원 박사 연구팀은 불소계 고분자가루(PTFE)를 마찰전기 생산 물질로 사용, 모든 방향의 움직임에서 전기를 생산할 수 있도록 개발한 나노발전기 구조. 아래와 윗면은 알루미늄, 내부 금속전극은 구리로 만들어졌다. &llt;&llt;KAIST 제공&ggt;&ggt;   한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최양규 교수와 김대원 박사 연구팀은 11일 고분자 가루를 마찰전기 생산 물질로 사용, 모든 방향의 움직임에서 전기를 생산할 수 있는 나노발전기를 개발했다고 밝혔다.   착용형(웨어러블) 소자와 인체 삽입형(implantable) 소자, 무선 센서 등 소형 전자소자가 빠르게 발전하면서 몸 움직임이나 체온 등과 같이 주변의 버려지는 에너지로 전기를 생산, 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 기술이 널리 연구되고 있다.       특히 전자기적 방식이나 압전체를 이용한 에너지 수확기술이 많이 연구됐다.   그러나 전자기적 방식은 대형화에는 적합한 구조지만 소형화하면 에너지 변환효율이 낮아 출력에너지를 높이기 어렵고, 압전방식은 에너지변환 효율은 높지만 유전체 재료가 비싸고 제작공정이 복잡해 실용화가 어려웠다.   이런 문제를 극복할 방안으로 높은 에너지 출력과 저렴하고 다양한 재료, 간단한 디자인, 저온공정 등이 장점인 마찰-대전 현상(contact-electrification)을 이용한 에너지 수확 기술이 떠오르고 있다.   최 교수팀은 값싸고 쉽게 만들 수 있는 불소계 고분자가루(PTFE)를 금속전극과 접촉해 전기를 일으키는 대전물질로 사용, 단방향 움직임뿐만 아니라 모든 방향의 진동을 전기에너지로 바꿀 수 있는 나노발전장치를 만들었다.   이 나노발전장치는 대전물질로 고체기판이 아닌 가루를 사용했기 때문에 형태나 크기를 원하는 대로 제작할 수 있고, 재료와 제조방식 모두 기존의 다른 방식 에너지수확 장치보다 비용이 월등히 저렴하다고 연구진은 설명했다.   원통 위 아래 전극을 지름 5㎝ 알루미늄, 옆면의 전극을 구리로 만든 원통에 20㎛ 크기의 PTFE 가루를 넣어 만든 나노발전장치는 초당 3회 진동운동을 이용해 최고 전압 245V, 최고 전류 9.5㎂의 전기를 생산했다.    한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최양규 교수와 김대원 박사 연구팀이 불소계 고분자가루(PTFE)를 마찰전기 생산 물질로 사용, 모든 방향의 움직임에서 전기를 생산할 수 있도록 개발한 나노발전기는 직렬연결한 발광다이오드(LED) 240개를 동시에 작동하고 휴대전화를 충전할 수 있는 성능을 보였다. &llt;&llt;KAIST 제공&ggt;&ggt;   이 발전장치는 발광다이오드(LED) 240개를 동시에 작동했고 휴대전화용 충전지를 충전할 수 있는 성능을 보였다.   이 장치는 대전물질인 불소계 고분자가루가 외부에 노출되지 않아 주변환경에 관계없이 상용화 가능한 수준으로 제작됐고, 인체 움직임 정도인 30㎐ 이내의 진동으로 휴대전화 충전이 가능한 전기를 생산한다고 연구진은 밝혔다.   최 교수는 "마찰-대전 에너지 수확장치는 기존 실리콘 기반공정을 그대로 적용할 수 있고 소재물질의 다양성, 가격경쟁력, 접근 용이성 등이 커 운동에너지 수확 기술의 응용범위를 모바일 기기 등으로 다양하게 확장시킬 수 있을 것"이라고 말했다.   이 연구는 미래창조과학부 한국연구재단과 나노종합기술원 (NNFC) 지원 사업으로 수행됐으며 연구 결과는 미국화학회(ACS) 학술지 'ACS 나노(ACS Nano, 12월 23일자)' 온라인판에 게재됐다.   한국과학기술원(KAIST) 전기 및 전자공학부 최양규 교수(왼쪽)와 김대원 박사     scitech@yna.co.kr  <저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2016/01/11 07:42 송고  http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2016/01/10/0200000000AKR20160110061500063.HTML 

    2018-09-23 2775
  • [디지털타임스] [Forum] Focusing on the future energy "Energy Harvesting Technology"

     [포럼] 미래 먹거리 `에너지 수확 기술` 주목해야김대원 경희대 전자공학과 교수 입력: 2018-04-23 18:00[2018년 04월 24일자 22면 기사]     최근 입을 수 있는 소자, 인체 삽입형 소자 및 무선 센서 노드를 필두로 한 소형 전자 소자의 발전이 급속히 진전되고 있다. 이런 소형 소자들의 핵심 성능은 작은 크기로 오랜 시간 동작할 수 있어야 한다는 점이다. 그런데 시스템의 점점 소형화되면서 기존에 전원으로 사용됐던 배터리는 재충전을 위한 시간 및 노력이 들어가고 시스템 내 소자나 센서와 대비해서 크기가 크다는 문제가 있었다. 또한, 인체 내부나 지속적인 환경 모니터링 등 재충전이 힘든 환경에서 사용될 경우 배터리를 대체해야 한다는 근본적인 필요성이 존재한다.   이런 배경에서 주위 환경에서 사용되지 못하고 버려지는 다양한 에너지를 우리가 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 '에너지 수확 기술'의 중요성이 커지고 있다. 리서치 전문업체 아이디테크이엑스(IDTechEx)에서 예측한 전 세계 에너지 수확 시장의 총 시장 규모는 2012년을 기준으로 7000억 원 정도이고 이후 성장을 거듭해 2022년에는 그 규모가 5조 원이 될 것으로 예측되고 있다.다양한 에너지 수확 기술 중에서도, 미국 조지아공대 교수인 왕종린 교수 연구팀이 2012년 말 처음으로 제안한 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술을 주목할 만하다. 위 기술이 학계에 발표된 이후로 2013년부터 2017년까지 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확기술과 관련된 주제로 약 두 배의 연구 논문들이 발표되고 있다.  마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술은 다양한 친환경 소재를 사용하고, 재료비와 공정비가 매우 낮으며, 간단한 설계로 제작 가능하다는 장점을 갖고 있다. 이와 같은 제조상의 편리성을 적극 활용한다면 향후 위 기술을 상용화하는데 보다 수월할 것으로 예측되고 가까운 미래에는 태양광, 폐열, 압전현상을 이용한 에너지 수확 기술이 기존 친환경 에너지 기술 시장에서 차지하는 시장점유율을 가져올 수 있을 것으로 전망된다.  특히 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술은 일반 가정이나 개발도상국에서도 쉽게 제작, 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 개발도상국들이나 산업화된 국가들의 소외된 지역들에 적합한 단순한 기술을 의미하는 적정기술(appropriate technology)로도 구현 가능하므로 국내뿐 아니라 전 세계적 측면에서 기여할 수 있는 바가 클 것이라 예상하고 있다.한편 에너지 수확 기술의 경우 기존의 에너지 발전 기술과는 그 개념상 차이가 존재한다. 예를 들어 우리가 아무리 생활 주변의 에너지를 수확해 이를 이용한다고 하더라도 우주선을 지구 밖으로 쏘아 올리거나 전기 자동차를 달리게 할 수 있을 정도의 에너지를 획득하기는 불가능하다. 현재는 저전력으로 동작하는 소형 전자자기를 충전할 수 있는 수준에 머물러 있다. 에너지 수확 기술의 궁극적인 목표는 스마트폰과 같은 소형 전자기기가 배터리 없이도 스스로 자가 발전해 에너지를 저장하는 수준에 도달하는 것이다. 그 정도에 이르려면 아직 더욱 활발하게 이뤄져야 할 것으로 보이지만, 계속적인 연구개발이 진행된다면 머잖아 배터리와 에너지 수확 소자가 상호보완적으로 공생하는 시스템이 개발돼 배터리의 사용기간을 더욱 늘릴 수 있게 될 것으로 본다. 다만 이를 위해서는 반드시 기술적, 정책적인 지원이 필수적으로 수반돼야 한다. 무엇보다 고전압 충/방전용 소자, 회로 기술이 부족한 상황이기 때문에, 마찰대전 현상을 이용한 에너지 수확 기술을 더욱 발전시키기 위해서는 엔지니어들의 인터페이스 회로 설계 기술 선점이 필수다. 현재 중국의 많은 연구진들이 마찰대전 에너지 수확 기술을 선도하고 있고 대부분 소자 디자인 및 실용적 응용처 탐색에 집중하고 있다. 위 기술을 실제로 상용화하려면 기술적으로 인터페이스 회로를 설계하는 것이 가장 필요하고 이러한 분야를 선점해야 궁극적으로 에너지 수확 기술을 선도할 수 있다고 본다.  특히, 에너지 수확 소자의 전력 관리 회로는 시스템의 안정적인 동작을 위해서 필수적인데, 이는 에너지 수확 소자로부터 입력되는 에너지를 실제 부하 쪽 센서 시스템이 사용할 수 있는 정류된 전압으로 변화시키거나 효율적으로 배터리를 충전하는 역할을 담당하기 때문이다. 뿐만 아니라, 회로의 저전력 동작은 주변 환경에서 수확 장치로 입력되는 에너지가 매우 낮은 상황을 대비한 중요한 기술이다. 최대전력 추출 기술은 센서 시스템이 사용 가능한 전력의 범위를 증가시켜 시스템의 성능을 높일 수 있는 기술이다. 이러한 기술들을 적극 활용해 에너지 수확 기술용 전력 관리 인터페이스 회로를 개발한다면 마찰대전 에너지 수확 기술을 다양한 산업 분야에서 범용적으로 활용하는데 도움이 될 것으로 전망된다. 정책적인 측면을 보면, 세계 각국은 온실가스 배출로 인한 기후변화에 대응하기 위해 지속적으로 친환경 에너지의 비중을 높이고 있고 저탄소 에너지로의 전환을 추진 중에 있다. 특히 주요국은 신재생에너지의 비중을 20% 이상 확산시키는 것으로 보급 목표를 수립하고 있다.(미국: 2035년까지 27%, 중국: 2030년까지 30%, EU: 2030년까지 27%) 현재 우리 정부는 현재 2030년까지 11%까지 높이는 것이 목표인데 이는 다른 선진국보다는 낮은 수치다. 향후 우리 정부는 대한민국을 이끌어 갈 새로운 에너지 관련 아이템들을 개발하기 위해 정부 차원의 연구 개발 계획을 수립하고 지속적인 관심을 보여줘야 할 것이다. 그래야만 우리나라가 차세대 에너지 선진국의 위치에서 경제적, 외교적으로 큰 목소리를 낼 수 있을 것이다. 차세대 친환경 에너지 분야는 미래의 대한민국의 경제와 성장을 이끌어나갈 핵심 원동력이다. 앞으로 정부는 친환경 에너지 분야와 관련된 기술을 과감하게 지원해야 할 것이고 이와 동시에 연구진들은 창의적이고도 혁신적인 성과를 창출하려는 각고의 노력을 해야할 것이다. 가까운 미래에는 대한민국 국민의 기대에 부응하는 창조적이고도 선순환적인 R&D 시스템이 정착하길 기대해 본다. [저작권자 ⓒ디지털타임스 무단 전재-재배포 금지]   http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2018042402102251055001&ref=naver 

    2018-09-20 1735
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