1. 성균관대학교 김상우교수님 인터뷰(SUNGKYUNKWAN UNIVERSITY, Prof. KIM SANGWOO )

7/8. 성균관대학교 김상우교수님과의 인터뷰
-LG Grobal Challenger로 미국으로 떠나기 전, 압전에너지하베스팅에 대해서 알아보기 위하여 국내탐방을 시작하였습니다. 첫번째로, 성균관대학교 김상우교수님을 만나뵙게 되었습니다. 국내 압전에너지하베스팅의 권위자이신만큼 많이 바쁘심에도 불구하고 저희를 만나주셨습니다. 압전에너지뿐만 아니라 트라이보에 관해서도 여러 이야기를 들을 수 있었습니다.

-김상우 교수님 연구실에서 하고 있는 연구는, 주변에서 버려지는 에너지를 모아서 사용한다는 개념의, 에너지 하베스팅 연구입니다. 압전현상을 이용한 Piezoelectric, 마찰전기 현상을 이용한 Triboelectric을 사용하여 압전에너지 하베스팅을 할 수 있습니다.
 

- 우리가 대부분 생활하는 공간은 실내이고, 그 비중이 점점 커지고 있습니다. 실내에서 얻을 수 있는 가장 큰 에너지는 Mechanicla Energy, 즉 기계적 에너지입니다. 걷고, 키보드를 타이핑하고, 고개를 돌리고, 기지개를 켜는 등 사람의 움직임이나 세탁기, 전자레인지, 냉장고 등의 진동하는 움직임 등이 모두 기계적 에너지에 속합니다.
 

-우리가 활용할 수 있는 기계적 에너지는 매우 다양합니다. 사람의 심장 박동, 혈류에서부터 산들바람, 소리(음파)까지! 압전현상을 이용하면 이러한 기계적에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있습니다. 마찰전기 현상을 이용한 triboelectric으로도 기계적에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있습니다.
 

 -이렇게 만들어낸 전기에너지는 그 출력량이 수십 와트(W)에서 수십 마이크로와트()정도라고 합니다.

압전에너지 하베스팅으로 만들어진 에너지를 사용할 수 있는 곳은 핸드폰, 스마트워치, 센서 등이라고 합니다. 핸드폰의 소비전력이 수백 밀리와트(mW)이고, 요새 한창 뜨는 스마트 워치는 100밀리와트(mW), 그리고 각종센서들도 소비전력이 적어서 적용될 수 있습니다.

-압전에너지 하베스팅은 의료, 헬스케어(Health Care) 분야에서도 요긴하게 쓰일 수 있다고 합니다. 대표적인 것이 ‘페이스메이커(Pacemaker)' 입니다. 페이스메이커란, 부정맥이 있는 사람들의 몸 속에 삽입해 쇼크를 주어 심장이 뛰게 하는 장치입니다. 그런데 이 페이스메이커의 배터리 수명이 3~5년이라고 합니다. 페이스메이커에는 자체에는 이상이 없어도, 배터리가 방전이 되면 매번 수술을 해서 배터리를 갈아 주어야 하는데, 수술 시마다 수술비용이 만만치 않으며, 환자에게도 수술은 나쁜 영향을 끼칠 가능성이 높습니다. 따라서 이런 페이스메이커에 압전에너지 하베스팅을 적용하면 수술하지 않고 반영구적으로 쓸 수 있습니다.

더 나아가 몸 안에 배터리가 필요없는 센서를 넣을 수 있다면, 원격진료가 이루어질 수 있다. 몸 안에 있는 센서가 실시간으로 몸에 이상이 있는지 점검하고 이상이 있다면 병원에 갈 수 있도록 하는 것이지요.
 

-Triboelectric이란 마찰전기를 이용한 소자입니다. 두 개의 물질을 마찰을 시키면, 열이 발생합니다. 이 열에 의해서 한쪽 물질에서 다른 물질로 전자가 이동을 합니다(이 때 일함수가 작은 물질의 전자가 일함수가 큰 쪽의 물질로 이동. 모든 물질은 일함수의 차이가 있으므로 전자가 이동하게 된다.) 이렇게 이동을 하면 분극이 생기고, 두 물질을 서로 떼어도 분극이 일정하게 유지를 하게 되는데, 이것이 정전기입니다. 이렇게 마찰정전과 정전을 이용한 것이 Triboelectric입니다. 책받침을 머리에 문지르면 머리가 서는 것도 이러한 원리에 의한 것이죠. 비오는 날 번쩍거리는 번개도 차가운 공기 속의 얼음알갱이들 간에 작용하는 마찰전기랍니다.
 

-트라이보(Triboelectric)와 피에조(Piezoelectric)는 각각 장단점이 있습니다.

먼저 피에조와 비교해서 트라이보의 장점은, 싸고 만들기가 쉬워 디자인하기 쉽다는 것입니다. 또한, 피에조의 출력전력량은 보통 매우 작은 데 반해 트라이보는 적은 힘으로도 큰 출력을 낼 수 있습니다. 이러한 장점으로, 트라이보는 빠른 시일 내에 상용화의 가능성이 보인다고 합니다.

그러나 트라이보는 일정 이상의 힘 하에서 saturation하는 특성이 있기 때문에 컨트롤을 요하는 곳에는 적용이 어렵습니다. 따라서 몸 안에 들어가는 센서와 같은 곳에는 트라이보를 사용할 수 없습니다. 그러나 피에조는 정확히 컨트롤할 수 있으므로 센서와 같은 곳에 사용할 수 있습니다.

따라서 몸 밖의 높은 출력이 필요하지만 정교한 컨트롤을 요하지 않는 곳에는 트라이보를, 몸 안과 같이 높은 출력보다는 정교한 컨트롤을 요하는 곳에는 피에조를 쓸 수 있습니다.

 

-이러한 에너지 하베스팅은 향후 전기차나 스마트폰의 보조 전원으로 적용할 수 있습니다. 앞에서도 언급했듯이 의료, 헬스케어 분야나 웨어러블 디바이스에도 적용될 수 있습니다.

많은 디바이스들이 저전력으로 가고 있고, 압전에너지 하베스터의 출력량이나 성능도 점점 발전해가고 있으므로 이 분야의 미래는 밝을 것 같습니다.
 

 -교수님과의 인터뷰 이후에도 김상우교수님 연구팀에 있는 분께서 현재 진행중인 연구나 기구들을 보여주셨습니다. 교수님말씀에 보태서 더욱 심층적인 이야기를 할 수 있었습니다.


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전류, 전압측정기

슬라이딩전

슬라이딩 후

: 이처럼 슬라이딩을 통해 발생한 마찰(트라이보)로 LED를 킬 수 있답니다. 시연용이기때문에 낮은 전압이 발생하였지만 크게도 만들 수 있다고 합니다. 크게 어떻게 만들어질 수 있을지, 그리고 어디에 적용될 수 있을지 기대가 됩니다.