피카츄는 잠을 자면 양쪽 뺨에 전기가 생겨난다. 머지않아 우리도 피카츄처럼 특정 행동으로 전기를 만들어낼 수 있을지 모른다. 우리 곁에 진동이나 소리 형태로 존재하는 파동 에너지는 마찰이나 열에 의해 쉽게 사라지는데, 이 에너지를 모아 전기 에너지로 바꾸는 ‘압전 에너지 수확’ 기술이 활발히 연구되고 있기 때문이다. 이 기술이 상용화되면 팔을 휘두르거나 걷기만 해도 충전이 돼 배터리 충전이나 교체 없이도 웨어러블 기기 등을 사용할 수 있다.
POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 통합과정 이건·이동우 씨 연구팀은 성균관대 신소재공학과 김미소 교수와 함께 압전 에너지 수확의 효율을 높이는 방법론을 정리해, 물리 분야 국제 학술지 ‘커뮤니케이션즈 피직스(Communications Physics)’에 최근 발표했다.
▲ 왼쪽부터: POSTECH 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이건, 이동우, 성균관대 신소재공학과 김미소 교수
압전 에너지 수확은 이전부터 활발하게 연구돼왔지만, 얻을 수 있는 전기 에너지의 양이 적어 실생활에 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 효율이 높은 전기 에너지를 얻기 위해선 파동 에너지를 구조물의 특정 부분에 모을 방법이 필요했다.
연구팀은 메타물질(metamaterial)과 음향양자결정(phononic crystal)을 이용해 이를 실현할 방법을 비교·정리했다. 두 물질은 인공적으로 설계된 단위 원자가 주기적으로 배열됨으로써 자연계에 존재하지 않던 기이한 특성을 보이는 물질이다. 물질이 가지는 주기성과 외부에서 가해지는 파장을 적절히 조절하면 파동 에너지를 한 곳에 모을 수 있다.
노준석 교수는 “이번 연구는 압전 에너지 수확을 연구하는 데 필요한 물리적 성질을 이해하기 위한 이정표가 될 것”이라며 “압전 에너지가 친환경·신재생에너지 자원으로서 스마트 센서, 저전력 무선 통신, 사물 인터넷 등 일상생활에서 광범위하게 적용되길 기대한다”고 말했다.
한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업, RLRC지역혁신선도연구센터, 해양수산부 선박해양플랜트연구소(KRISO) 기관목적사업, 교육부 글로벌박사펠로십, 현대차 정몽구 재단 및 포스코 산학연 융합연구소의 지원을 받아 이뤄졌다.
논문명: 메타물질과 음향양자 결정을 이용한 압전 에너지 수확 기술
(Piezoelectric energy harvesting using metamaterials and phononic crystals)
연구자: 노준석(교신저자), 이건(공동1저자), 이동우(공동1저자), 김미소(성균관대, 공동저자)
