DGIST, 움직임만으로 전기와 빛 동시에 만드는 ‘一打雙皮’기술 개발

물속에서도 안정적 자가발전 구현, 재난 구조 등 다양한 분야 활용 기대

▶디지스트 DGIST 김회준 교수, 정순문 박사 (왼쪽 위부터 차례대로) 및 연구진

▶물속에서 안정적으로 구동하는 ML+TENG 장치를 활용한 SOS 신호 발생연구의 개념

(그림설명)

(a) 빛과 전기 동시생성을 적용한 수중 재난장치의 개념도

(b) 개발 장치를 물속에 넣어 인장을 주었을 때 발생되는 빛의 신호

(c-d) 수중에서 압력을 가했을 때 발생하는 전기신호 (전압과 전류)

(e) 물밖에서 장치를 당겼을 때 발생하는 빛의 신호 (수중과 별 차이가 없음)

DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 김회준 교수 연구팀과 에너지환경연구부 정순문 박사 연구팀, 그리고 남덴마크 대학교 미시라 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 움직임과 압력을 통해 전기와 빛을 동시에 생성하는 자가 발전 센서를 개발했다.

배터리가 필요 없는 이 기술은 재난 구조, 스포츠, 웨어러블 기기 등 다양한 실생활에 응용 가능할 것으로 기대된다.

마찰전기 나노발전기(TENG)와 기계 발광(Mechanoluminescence, ML)은 각각 외부 전력 없이 전기와 빛을 생성할 수 있는 친환경 에너지 기술로 주목받아 왔다.

그러나 기존 연구는 두 기술을 주로 개별적으로 연구하거나 간단히 결합하는 데 그쳤다.

또한, TENG의 전기 출력 안정성과 ML 소재의 빛 지속 시간 부족이 실제 응용에 있어 큰 한계로 작용해 왔다.

이에 연구팀은 움직임과 압력으로 전기와 빛을 동시에 생성하는 시스템을 개발했다.

고무와 같은 재질(PDMS;폴리디메틸실록산)에 빛을 내는 황화아연-구리(ZnS:Cu) 입자를 넣고, 은 나노선 기반 단일 전극 구조를 설계해 높은 효율성을 구현해 냈다.

개발된 장치는 5,000번 이상 반복해서 눌러도 성능이 떨어지지 않고, 최대 60V 전압과 395nA 전류를 안정적으로 생성할 수 있다.

이번 연구는 단순한 기술 개발을 넘어 실제 상황에서 활용할 수 있는 수준의 완성도를 보인다.

특히, 빛을 이용해 SOS 신호를 보내는 기능은 재난 구조나 심해 작업 같은 긴급한 상황에서 큰 도움을 줄 수 있다.

물 속이나 어두운 환경에서도 안정적으로 작동해 기존 기술이 가진 한계를 효과적으로 극복했다.

이 기술은 웨어러블 안전 장치, 스포츠 활동 모니터링, 구조 신호 장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

충격을 감지해 즉각적으로 신호를 보내는 헬멧, 움직임을 감지하는 손목 보호대, 물속에서도 구조 신호를 전달하는 장비 등이 대표적인 사례다.

별도의 배터리가 필요 없기 때문에 친환경적이고 지속 가능성을 갖춘 기술이다.

DGIST 로봇및기계전자공학과 김회준 교수는 “이번 연구는 배터리가 없어도 움직임만으로 빛과 전기적 에너지를 동시에 만들어내고, 이를 즉시 활용할 수 있는 기술이라는 점에서 큰 의미를 가진다”며, “특히, 에너지 하베스팅 기술을 통해 환경에 미치는 영향을 줄이면서도 긴급한 상황에서 실시간으로 신호를 보내는 기능까지 가능하다는 점에서, 이 기술이 우리 삶을 더 안전하고 지속 가능하게 만드는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 DGIST 로봇및기계전자공학과 Sugato Hajra 박사후연수연구원과 Swati Panda 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 김회준 교수와 정순문 박사가 교신저자로 참여했다.

연구 결과는 세계적 학술지 Advanced Sustainable Systems에 게재되었으며, 12월호 표지 논문으로 선정됐다.