옷, 신발, 시계 등 다양한 형태로 몸에 착용이 가능한 웨어러블 전자기기(Wearable Devices)가 대세인데요. 아직까지는 외부 전력을 배터리에 충전하여 사용하는 경우가 대부분이지만, 미래 사회에는 기기 자체가 전력원이 되어 전기를 스스로 생산하고 공급하는 방식이 이뤄질 것으로 보고 있습니다.

이와 관련해, 최근 국내 연구진이 한 국제 학술지에 미래 웨어러블 전자기기 분야에 새로운 패러다임을 제시할 ‘자가충전 전원공급 소자’ 연구결과를 내놓아 큰 관심을 받았습니다.

한국전기연구원(KERI) 나노융합연구센터 연구팀은 ▲옷 등에서 발생하는 마찰력을 이용해 전기를 스스로 생성하는 ‘나노발전기’(자가충전)와 ▲만들어진 전기를 저장하고, 이를 웨어러블 전자기기에 공급해 주는 ‘마이크로 슈퍼커패시터’(전원공급)가 통합된 기술을 개발했습니다.

기존 기술과 다른 점은?

기존에도 마찰을 이용한 전기를 생산하는 ‘마찰 전기 나노발전기’가 개발된 사례가 있었지만, 전기를 안정적으로 저장하고 이를 통해 전원을 공급하는 ‘마이크로 슈퍼커패시터’ 기능까지 아우르는 통합 신축 소자를 개발했다는 점이 다릅니다.

자가충전 웨어러블 기기는 우수한 전기적 특성을 보유하는 것은 기본이고, 우수한 전기적 특성과 경량성, 생체 적합성 등 여러 조건들이 필요합니다. 이 중에서도 특히 신축성은 웨어러블 전자기기의 수명을 좌우하는 중요한 요소입니다.

이를 해결하기 위해 기존의 많은 연구자들이 주름형 기판을 사용하거나 부분형 신축 전극을 도입하는 방식을 활용했지만, 이러한 접근법은 신축 방향이 제한적이고 내구성도 떨어졌으며, 제작 단가도 높다는 단점이 있습니다.

어떤 방법으로 한계를 극복했나?

사실 전기를 흘려주는 집전체와 에너지를 저장하는 에너지 저장 전극의 경우 완전히 신축한 소재가 희귀합니다. '단일벽 탄소나노튜브'는 우수한 전기전도성을 보유하고 있으나 번들을 형성하기 때문에 고분자와의 복합화가 어려워 신축 마이크로 슈퍼커패시터용 전극으로 적용하기 어렵기 때문입니다.

이에 KERI 연구팀은 10여년 이상 축적해 온 나노융합 기술을 기반으로, 우수한 전기 전도성 및 물성을 가진 ‘단일벽 탄소나노튜브’를 신축성 있는 ‘고분자(폴리머, polymer)’와 효과적으로 섞는 방식을 활용했고, 이를 통해 전류를 전달하는 ‘집전체’는 물론, 에너지를 저장하는 ‘전극’의 역할까지 동시에 수행할 수 있는 소자를 개발할 수 있었습니다.

자가충전 전원공급 소자의 모든 부품을 신축 가능한 소재로 제작하였기 때문에 신축 방향에 제약이 없으며, 연구원 자체 성능 테스트 결과 1만회 이상의 반복적인 신축 변형에도 성능이 우수하다는 장점이 있습니다.

이러한 우수성을 바탕으로 재료 분야 저널인용지표(JCR) 상위 4.6% 국제 저명 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy, IF = 17.881)’에 논문이 게재되며 높은 기술 수준을 인정받았습니다.

우리 삶 어디에 적용될까?

이번 기술은 국방·레저 등의 분야에서 중요한 전력 공급원으로 활용될 것으로 예상됩니다. 특히 각종 전기·전자 장비의 사용이 필수적인 미래 전장에서는 휴대용 초경량 배터리와 더불어, 극한 환경 속 생존 등에 필요한 전기를 직접 생산하여 활용할 수 있는 기술이 필요합니다. KERI 기술을 적용하면 군복 및 군화, 군모, 전투용 배낭 등에서 발생하는 마찰력으로 전기를 생산할 수 있습니다.

레저 분야에서도 등산복 등에 자가충전 전원공급 소자를 적용하면 긴급한 상황에서 손전등이나 스마트폰 충전의 전력원으로 요긴하게 활용할 수 있습니다. 또한, 발전과 저장 소자가 통합된 완전히 신축 가능한 자가충전 전원공급 소자가 웨어러블 전자기기에 적용될 경우 제품의 성능과 수명을 향상시킬 수 있으며 배터리 충전 및 교환 횟수 감소를 통해 사용자의 불편함을 최소화 할 수 있을 것입니다.

*이 글은 한국전기연구원(KERI)으로부터 제공받았습니다.

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