4. 아이블 이상구대표 인터뷰(IBULE)

7/25 압전에너지 연구기업 아이블 방문
-국내에 몇 안되는 압전에너지하베스팅 연구기업인 아이블을 방문하게 되었습니다. 여러차례의 연락끝에 드디어 만나뵐 수 있었습니다. LG글로벌챌린저 면접에서도, 카이스트 이건재교수팀 연구원을 만나뵙을때도 아이블을 추천해주셔서 많은 호기심을 가지고 방문하게 되었습니다. 인천에 위치한 아이블. 하지만 아이블은 기업의 입장에서 저희와 인터뷰를 하였기 때문에 많은 정보를 오픈하지는 않으셨습니다. 기업의 정보가 쉽게 유출될 수 있기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 저희는 아이블 방문을 통해서 저희가 지금까지 생각하던 가격적인 문제가 생각보다는 큰 문제가 아니라는 사실을 알 수 있었습니다. 아무리 가격이 높을지라도 꼭 압전소자가 필요한 분야라면 사기 때문입니다. 또한 아이블 방문을 통해서, 인터뷰하는 자세라던가, 앞으로 저희가 다른 기업이나 미국을 방문했을 때 어떠한 인터뷰 질문들을 가져가야할지에 대해서도 알 수 있었습니다. 기업이었기에 저희와 만나는게 쉽지는 않으셨을텐데 만나주셔서 감사했습니다.


-아이블은 주로 의료와 군사분야에 초점을 맞추고 연구를 진행하고 있다고 합니다. 의료용 초음파부터 시작해서 페이스메이커까지. 그리고 군사용으로는 잠수함이나 어뢰를 감지하는 Sonar sensor 등을 개발하고 있다고 합니다. 의료나 군사 분야는 아무리 압전소자가 비싸더라도 쓸 수 밖에 없는 분야이고, 앞으로 점점 더 수요가 많아질 것 분야입니다.
-의료분야는 단지 압전에너지 하베스팅이 가능하다고 하더라도, 전방과 후방사업이 다 연관되어 있는 분야이기 때문에 지금 당장은 상용화하기 어렵다고 합니다. 하지만 빠르다면 3~4년 안에 상용화가 이루어질 수 있다고 보았습니다. 인체 내에 들어가는 납 성분에 대해서는, 들어갈때는 어짜피 패키징되서 들어가기도 하고, 특히나 PMN-PT는 아직 정확히 규명은 되지 않았지만 납 혼자 있을때보다는 확실히 위험성을 덜하다고 합니다.
-그리고 압전소자에서 PZT와 PMN-PT가 중심이 되는 이유 중 가장 큰 부분은 감도가 좋고, 볼수 있는 영역이 넓기 때문이라고 합니다. 그래야만 이미지가 깨끗하게 보일 수 있기 때문입니다. '감도'와 '볼수 있는 영역'이 중요한 포인트입니다.

-핸드폰의 보조배터리로서의 압전에너지 하베스팅에 대해서는, 현재 이미 정부에서 공고가 난 상태이며 여러 대기업에서 도전하고 있다고 합니다. 저희 역시 이 분야에 관심이 있어 아이블에 물어보았지만, 아이블에서는 가능은 하다고 보지만 현재 큰 개발은 이루어지지 않고 있다고 합니다. 주로 대기업에서 뛰어드는 분야에 중소기업에서는 도전하기가 힘든 분야라고 합니다.

-아이블에서는 가격을 떠나서, 압전에너지 하베스팅이 꼭 필요한 분야를 찾아내는게 가장 중요한 부분이라고 말씀해주셨습니다. 수요가 있는 곳이라면, 가격은 대량생산을 통해서 떨어질 수도 있으며, 필요로 하는 곳이 많아질수록 보편화되기 때문에 우선은 수요가 있는 분야를 찾아내는게 급선무라고 하셨습니다. 처음에 실리콘도 가격이 높았지만 지금은 보편적인 재료가 된 것처럼 말이죠.

-안타깝게 대표님과 사진은 찍지 못하였지만, 저희를 위해서 대표님께서 시간을 내주셔서 감사했습니다. 미국탐방 후에 제대로 다시한번 이야기를 나누어볼 수 있었으면 좋겠습니다.

(아이블IBULE: http://www.ibule.com/)

3. 한국 세라믹 기술원 김창일 연구원 인터뷰(Korean Institute of Ceramic Engineering and Technology, Kim Chang Il researcher)

7/17 한국 세라믹 기술원 김창일 연구원 인터뷰
-앞의 두 대학교 연구팀 탐방에 이어 이번엔 정부출연기관 형태의 세라믹 전문 연구기관을 방문했습니다.

-전자소재융합과 중 지능형전자부품팀에서는 에너지하베스터, 센서, 하이브리드 소재를 이용한 지능형 전자 부품과 이들을 활용한 제품, 기술 연구를 수행하고 있었는데요. 팀의 탐방주제와 관련해 김창일 연구원님과 인터뷰를 하였습니다.

-우선 한국 세라믹 기술원에서는 압전에너지하베스팅과 관련해 여러 조성의 압전체를 만들고, 이들을 통해 여러 형태로 압전소자를 만들고 있습니다. 압전체란 기본적으로 압력을 가했을 때 전기가 생산되고 반대로 전기를 흘려주면 변형이 일어나는 물질인데요. 납(Pb)이 있어야 압전 특성이 크게 나타나서 현재 주목받고 있는 압전소자 중에는 납을 포함한 물질이 많습니다.
 그러나 고분자 물질이나 납계물질과 다른 물질을 섞은 하이브리드형 압전소자가 개발되고 있습니다. 이들은 압전특성은 조금 낮지만 기존 단일 재료의 압전체보다 더 유연하며 이러한 유연성은 센서에 적용되기 위해 필요한 특성이라고 합니다.

-직접 만든 소자를 활용해 여러 응용실험을 하고 있는데 가령, 과속방지턱에 압전소자를 설치하거나,  무선스위치, 도로의 전기 소비 시스템에 전력을 공급할 수 있는 에너지 하베스터 제작 과제 등이 있습니다. 인상깊었던 것은 풍경에 에너지하베스터를 달아 바람에 흔들릴 때 에너지를 수확했다가 밤에 불을 켜게 끔하는 실험도 있었다고 하네요!
 현재는 변압기내부의 환경을 감지해서 그 정보를 무선으로 전달해 쉽게 변압기 내부의 문제점을 감지하고 대처할 수 있게 하는 과제를 하고 있다고 합니다. Structural Health Monitoring의 일부로 에너지하베스터를 적용한 사례라고 할 수 있겠죠!

-대학 연구소와 달리 기업으로서 다른 회사들과 기초연구를 같이 하고 자연스럽게 상용화를 유도하고 있다고 합니다. 즉, 연구소에서 개발한 기술을 전수하여 업체가 상용화하도록 상호 협력 체계를 구축하고 있는 것이죠.

Tip! 미국 기업을 방문할 때 가능하면 샘플을 받아오라고 조언해주셨습니다.

-연구원님께서 생각하는 압전 하베스팅의 활용방안은? 사물인터넷(Internet of Things)에서 어떤 자극을 감지하고 이를 전송할 때 드는 저전력을 에너지하베스팅으로 할 수 있지 않을까 생각하고 있다고 말씀해주셨습니다. 또한 어떤 활용방안을 생각할 때 비용도 문제이지만 기존의 방식을 대체할만큼 에너지 하베스팅이 그곳에 필요한가? 란 질문에 답을 할 수 있어야 한다고 말씀햇주셨습니다.
 가령 전력이 쓰이지만 전력이 전혀 생산되지 않는 곳을 찾아보는 것이죠. 비행기가 보내는 빛 신호를 사람이 아닌 기계가 감지하고 이 정보를 사람에게 전달하는 시스템을 구상할 때 감지를 압전에너지하베스팅으로 얻은 에너지로 하는 것이죠.

 -인터뷰를 마치며
 소자의 개발만큼이나 그 소자의 활용방안, 상용화 가능성에 대해 고민하고 다양한 실험을 하고 있는 연구원님의 모습에서 압전에너지 하베스팅의 새로운 가능성을 살펴볼 수 있어서 매우 보람찼습니다. 비록 아직 시장이 크지 않고, 모든 문제점이 해결된 것이 아니지만 상용화에 있어 어떤 것이 극복되어야 하고 어떤 부분이 더 보완되어야할지에 대해 생각할 기회를 얻은 값진 기회를 주신 한국 세라믹 기술원과 김창일 연구원님께 소소한 감사를 전하며 글을 마칩니다.

2. 카이스트 이건재교수님팀 연구원 인터뷰(KAIST, Prof. LEE KEON JAE LAB)

7/15. 카이스트 이건재교수님팀 연구원 인터뷰
-이건재교수님 LAB http://fand.kaist.ac.kr/
-카이스트 신소재공학과 연구팀을 만나뵙습니다. 이건재교수님의 일정상 직접 만나뵙지는 못하였지만 교수님 LAB에 계시는 박사과정의 연구원분을 만나뵐 수 있었습니다. 특히 압전소자와 플렉서블에 관해서 자세한 이야기를 들을 수 있었습니다. 이건재교수님 LAB이 Flexible과 Nanobio device에 관해 연구하고 있기 때문에 이에 관해 설명을 들었습니다.

- 현재 압전 소자와 트라이보에 대한 한계점에 대한 얘기를 많이 들었습니다. 압전에 가장 큰 문제는 전력이 낮다는 것입니다. 특히 전력에 있어서 전압값보다 전류 값을 높이는 게 중요하다고 했습니다. 그래서 PZT를 넘어 PMN-PT 같은 전류 효율을 몇백배 높인 새로운 압전 소자로 실험중이라고 하십니다. 또한 압전에 더 큰 분제는 Pb를 사용하기 때문에 인체에 적용하기 어렵다는 문제였습니다. 아무리 효율이 높아져도 FDA 승인을 받지 않는 이상 사람 몸 속에 직접 넣기는 어려울 거라 예측하셨습니다. 또한 트라이보의 문제인 마모와 습기도 들을 수 있었습니다.

- 이 실험실에선 특히 nano에 대한 연구가 활성화되어 있기때문에 flexible한 나노 단계의 얘기를 많이 나누었습니다. 간단히 얘기하면 얇게 만들어서 휘게 한다는 컨셉인데, 실제로 시연하여 파란색 LED를 켜는 모습을 보여주셨습니다.

- 전류값과 전압값 등 구체적인 수치를 들을 수 있었고,BTO(BaTiO3)같은 새로운 압전 소자에 대한 얘기도 들었습니다. 압전 소자에 대한 구조(단결정, 패터닝 등)나 가격 얘기, 연구의 어려움, 앞으로 필요한 연구 방향 등을 들을 수 있어 의미있는 시간이었습니다.


-인터뷰를 위해 카이스트에 온 기념으로 카이스트 구경도 할 수 있었답니다. 방학이라 학교 안은 한적하였습니다. 역시 카이스트라 그런지 무선충전전기셔틀도 발견할 수 있었는데요, 무척 신기했답니다! 카이스트에 먹는 학식은 무언가 느낌이 다르더라구요ㅎㅎ 카이스트 안에서 연구원님과의 인터뷰를 정리하다보니 시간이 많이 흘러서 밤늦게서야 서울에 도착하였습니다. 새벽부터 바쁘게 움직였던 하루였지만 그만큼 많은 것을 배우고 경험했던 뜻깊은 탐방이었습니다.

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.