[양파껍질 셀룰로스 성분으로 스마트 압전소자 개발,
인체무해한 압전소자로 안전하게, 기침하거나 걷기만 해도 전기 생성 가능]

눈을 깜박이고 기침을 하고, 무언가를 잡고 걷는 등 움직임을 통한 압력이 전기 에너지가 되는 압전소자 기술은 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 압전소자를 만들 때 꼭 필요한 결정 물질이 PZT^*1와 BTO^*2와 같은 유해물질이어서 연구자 건강뿐 아니라 환경오염 문제가 해결 과제였다. POSTECH 연구팀은 셀룰로스 섬유질로 이뤄진 양파껍질을 이용해 인체에 무해한 데다 몸속에 부착해도 거부반응이 없고 효율까지 높은 압전소자를 개발했다.

화학공학과 블록공중합체 자기조립연구단 김진곤 교수, 산딥 마이티(Sandip Maiti) 박사 연구팀은 인도 카락푸르공대 카투아(Khatua) 교수 연구팀과 공동으로, 화학 처리가 필요하지 않은 양파 껍질을 사용해 높은 전력 효율을 만드는 압전소자를 개발했다. 이 연구는 에너지 분야 권위지인 나노 에너지(Nano Energy) 온라인판을 통해 발표됐다.

압전나노발전소자는 힘이나 자극이 가해졌을 때, 압력을 전기로 바꿔주는 소자를 일컫는다. 보통 힘을 가하면 양과 음으로 전하가 나뉘고, 표면의 전하 밀도가 변하면서 전기가 흐르는 압전 효과가 발생한다. 압전소자로 양전하와 음전하 위치가 쉽게 어긋나 편극이 변화하는 결정 물질을 사용하면 일정한 방향에서 양과 음의 전하의 이동 변화가 나타나 효율이 높은 전기를 생성할 수 있다. 압전소자 기술을 적용되면 소자를 신체나 기기에 부탁해 사람의 움직임이나 바람, 진동 등 일상에 다양하게 존재하는 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있다. 하지만 기존의 유해물질 방식을 이용한 소자로는 생분해성, 생체적합성, 물질합성이 모두 어렵고 비용까지 많이 든다는 한계가 있었다.

연구팀은 셀룰로스 섬유질의 정렬로 인한 결정성이 압전효과를 낼 수 있을 것으로 보고, 셀룰로스 섬유질이 있는 성분 중 쉽게 얻을 수 있는 양파 껍질에 주목했다. 실험 결과 양파 껍질을 통해 에너지를 얻을 수 있음을 확인했고, 가벼운 나뭇잎 정도의 움직임만으로도 전기를 생산할 수 있을 만큼 민감하고, 내구성도 뛰어나며 효율도 높은 소자를 개발할 수 있었다.

연구를 이끈 김진곤 교수는 “이번 연구 성과는 환경오염을 시키지 않는 자연 원료 자체로 전력 생산할 수 있는 발전 소자를 개발했다는 것에 큰 의미가 있다”라며 “앞으로 웨어러블 기기와 같은 차세대 디바이스 에너지 공급원 개발 기반이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘창의적 연구진흥 사업’ 지원으로 수행됐다.
 

1. PZT
지르콘산염 PbZrO3과 티탄산염 PbTiO3의 고용체의 총칭. 화학식의 머리글자를 따서 PZT라 한다.

2. BTO
BaTiO3 화학식을 갖는 무기화합물