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Nano Energy Device Laboratory

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[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
  • [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 1189
  • [연합뉴스TV] Energy harvester developed by shaking bottle of water

      

    2018-09-23 946
  • [YTN science] [탐구 人] Dr.Kim had developed nano electric generator which makes energy from mech...

     

    2018-09-23 1441
  • [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 1530
  • [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 1030
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