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지하철이 선로 위를 지나갈 때 누르는 힘이 전기를 만들어내고, 리모콘을 누를 때마다 전기가 생기고, 옷을 입고 움직일 때도 전기가 만들어집니다.

이 같은 기술이 먼 미래에나 가능할 것 같지만, 현재 사용되고 있습니다.

부산 지하철 서면역의 선로에는 압전소자가 설치되어 있어 전동차 운행으로 발생하는 진동을 전기에너지로 변환시킵니다.

이는 우리나라 최초로 압전에너지를 상용화한 제품입니다.

또 이스라엘에서는 고속도로에 압전발전기를 깔아 자동차가 지나갈 때 발생되는 전기로 가로등을 밝히고 있습니다.

필립스에서 생산하는 리모콘은 버튼을 누르는 힘만으로 전기를 만들어 작동하기 때문에 건전지 없이도 작동됩니다.

이런 추세라면 앞으로는 나노발전기를 겹쳐 옷감 형태로 만들어 입으면, 옷을 입고 걷거나 움직이는 일상생활만으로 휴대폰이나 MP3 같은 휴대용 전자기기를 충전할 수도 있을 것입니다.

나아가 아주 작은 전원만으로 몸속에서 독자적인 임무를 수행하는 나노센서 개발도 가능해집니다.

여기에 사용되는 것이 바로 나노발전기입니다.

■ 나노발전기는 나노 크기(10억 분의 1m)의 물질을 사용해 전기를 생산하는 발전기로, 압전 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 '압전 효과'를 이용합니다.

압전 효과를 이용하는 발전기술은 2009년 MIT가 선정한 10대 유망기술에 선정됐고, 2010년 미국 과학월간지 파퓰러사이언스(Popular Science)가 선정한 세계를 뒤흔들 45가지 혁신기술에 포함되는 등 주목을 받았습니다.

압전 물질은 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 처음으로 나노발전기 개념을 제시하면서 알려졌습니다. 

그런데 여기에 사용되는 물질은 '산화아연'이 유일했는데, 이는 제작공정이 복잡하고 고가의 비용문제와 소자크기의 한계가 있어 널리 활용되는데 한계가 있었습니다.

■ KAIST 신소재공학과 이건재 교수팀이 나노복합체를 이용해 적은 비용으로도 대면적 생산이 가능한 신개념 나노발전기 원천기술을 개발했습니다.

 

압전 나노입자를 포함하는 복합물질에서 구부림에 의해 전기가 생성되는 것을 보여주는 그림


이번 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 만들어지기 때문에 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 넓은 면적도 쉽게 제작할 수 있어 공정이 복잡했던 기존의 한계를 극복했습니다.

앞서 이 교수팀은 지난 2010년 산화아연보다 15~20배 높은 압전 특성을 갖는 세라믹 박막물질인 '티탄산화바륨'을 이용해 나노발전기 효율을 한층 업그레이드 시킨바 있습니다.

이어 이번에는 나노복합체를 이용해 간단한 공정으로 제작하는 데 성공함으로써 적은 비용으로도 넓은 면적의 나노발전기를 구현했습니다.

이 교수팀은 수백 나노미터 크기의 고효율 압전 나노입자인 '티탄산화바륨'과 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 '탄소나노튜브'나 산화 그래핀(RGO)을 폴리머(PDMS)와 섞은 다음 간단한 코팅공정을 통해 넓은 면적의 나노발전기 제작에 성공했습니다.

압전효과를 바탕으로 한 '나노 자가발전 기술'은 적은 기계적 힘만으로도 전기를 생산할 수 있어 차세대 에너지 기술로 각광을 받을 전망입니다.

특히 이번에 개발된 기술에 패키징이나 충·방전 기술을 융합하면 반영구적으로 자가발전 및 저장이 가능한 새로운 형태의 에너지 시스템 개발에도 응용될 수 있습니다.

이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)' 6월호 표지논문으로 게재됐습니다.

구부러질 때마다 전기를 만드는 나노복합체 기반의 자가발전기(논문표지)


 

 

 용  어  설  명

압전효과 :
가스레인지의 점화스위치 작동원리와 같이, 압력이나 구부러짐의 힘이 가해질 때 전기가 발생되는 효과

탄소나노튜브 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 수  크기의 직경을 갖는 튜브를 형성한 탄소 소재. 1 ㎚ 는 머리카락 굵기의 1/100,000 정도의 크기

그래핀 :
육각의 벌집구조로 결합한 탄소가 연속적으로 연결되어 탄소 원자 한 층의 두께를 가진 2차원의 평판 모양을 이룬 탄소 소재

나노복합체 :
기초소재물질 속에 나노물질를 첨가함으로써 기존 물질이 가지고 있던 기계적, 화학적, 물리적 특성을 크게 향상시킨 재료를 말하는 것으로, 탄소나노튜브를 중심으로 한 나노복합체 연구가 주류를 이루고 있다.

 

<이건재 교수>

1. 인적사항

○소  속 : KAIST 공과대학 신소재공학과

2. 학    력
○ 1994 : 대원외국어고등학교 졸업
○ 2001 : 연세대학교 학사
○ 2006 : University of Illinois at Urbana Champaign (UIUC) 박사

3. 경력사항
○ 2009.1 ~ 현재    : Assistant Professor, KAIST
○ 2005.6 ~2008.12 : Research Staff Member, Unisantis Electronics Japan
○ 2001.9 ~ 2005.6   : Research Assistant, UIUC

4. 주요연구실적
○ 2012 Prof. Lee will give 'Plenary Talk' at International SPIE conference
○ 2012 Prof. Lee's flexible technology is selected as KAIST BRAND Project & National Research Laboratory
○ 2011 Prof. Lee won '2011 KAIST Technology Innovation Award'
○ 2009 George Smith Award for the best paper published in IEEE Elect. Dev. Lett.
○ 2007 Cover feature article for the May issue of Applied Physics Letters
○ 2006 Three dimensional chips are published in Science journal
○ 2006 Printed semiconductor technology won "2006 Innovation Award" of Wall Street Journal
○ 2006 Printed semiconductor technology is licensed to Semprius Inc.
○ 2006 Cover feature article for the Jan issue of Nature Materials
○ 2005 Cover feature article for the April issue of Advanced Functional Materials
○ 2004 Cover feature article for the June issue of Applied Physics Letters

5. 출판
Over 100 patents and patent application in the field of flexible and nanoelectronics. More than 40 of these are licensed.
SCI papers including Science, Nature Materials, Nano Letters, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Small, Applied Physics Letters etc.

 

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유리막대를 둘러싼 유연한 메모리

전자제품에서 메모리는 데이터 저장, 연산, 외부와의 통신 등 모든 기능에 필요한 핵심 부품으로, 플렉시블 전자제품 개발을 위해서는 휘어질 수 있는 메모리 개발이 반드시 필요합니다.

지금까지 몇몇 메모리 성질을 가지는 유연한 물질들이 보고되긴 했지만, 수많은 메모리 셀 간의 간섭현상을 해결하지 못해 사실상 실용화가 불가능했습니다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 메모리 상태를 직접 제어하는 고성능 스위칭 소자를 집적시켜야 합니다.

그러나 플렉시블 기판에 고성능의 반도체를 구현하지 못했기 때문에 휘어지는 메모리 소자 개발이 어려웠던 것입니다.

TV나 PC 등을 쉽게 휴대하기 위한 노력이 계속되고 있는데, 이를 위해서는 종이처럼 접거나 휘어지거나 말 수 있는 플렉시블 전자부품이 필요합니다.

KAIST 신소재공학과 이건재 교수팀은 플렉시블 전자제품에 적용해 정보를 기록하고 지울 수 있도록 완벽하게 작동하는 '휘어지는 비휘발성 저항메모리'를 세계 최초로 개발했습니다.

이건재 교수팀은 최근 차세대 메모리 물질로 부각 받고 있는 '저항메모리(memristor)'와 '고성능 실리콘 반도체'를 플렉시블 기판위에 집적시켜 '휘어지는 비휘발성 메모리'를 개발에 성공했습니다.

연구팀은 메모리 셀 간의 간섭현상 없이 수많은 메모리 셀을 자유자재로 제어해 쓰기와 지우기, 읽기 등 모든 메모리 기능이 완벽하게 작동되는 유연한 메모리를 구현했습니다.

 이번 연구결과는 나노과학기술(NT) 분야 세계적 권위지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 10월호 온라인 판에 게재됐고, 국내외 특허도 출원됐습니다.

구부러지는 기판위에서 작동하는 메모리 소자

 용 어 설 명

멤리스터(memristor) :
메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어.
이 소자는 전류가 흐르는 방향과 양을 기억해 전원이 차단되더라도 이전 정보를 기억해 정보를 복원할 수 있는 비휘발성 특징을 가지고 있다.
이를 사용한 메모리는 현재 사용되는 플래시 메모리보다 정보처리속도가 100배 이상 빠르며, 인간의 뇌기능을 모방한 소자로서도 응용될 수 있다.
현재 HP 및 국내회사에서도 멤리스터를 이용한 저항변화 메모리를 2013년 상용화 목표로 개발 중에 있다.

관련 글 : 휘어지는 기판, 휘어지는 배선<http://daedeokvalley.tistory.com/136>

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사람의 몸 속에 치료기기를 넣어 암세포를 죽일 수 있을까?

LED를 뇌나 혈관, 척추 등에 부착하고, 여기에서 발생되는 빛으로 질병을 진단하거나 치료할 수 있는 것을 가능하게 하는 기반 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

KAIST는 신소재공학과 이건재 교수팀이 최근 질화물 반도체 발광다이오드(GaN-LED)를 휘어지는 기판 위에 구현하고, LED에서 발생되는 빛이 암의 항원-항체반응에 의해 감도 차이가 일어나는 것을 확인했습니다.

또 연구팀은 이를 이용해 전립선암의 항체를 검출하는 실험에도 성공했습니다.

Flexible GaN LED

이번 연구를 토대로 LED에서 발생하는 가시광선 영역은 물론 자외선 영역까지의 다양한 파장대의 강한 빛을 이용할 경우 신경세포를 자극할 수 있어 질병을 치료하는데 응용될 수 있을 것이라고 연구팀은 전망했습니다.

GaN(질화갈륨)은 적은 에너지로 높은 효율의 빛을 낼 수 있는 반도체로, 현재 LED TV나 조명 등 산업 전반에 쓰이고 있지만 깨지기 쉬운 성질이 단점입니다.

이에 연구팀은 딱딱한 기판에서 성장된 얇은 고효율 GaN-LED를 유연한 플라스틱 기판에 전사하고, 생체 친화적인 재료를 사용한 바이오센서를 개발해 인체와 유사한 조건에 적용할 수 있도록 만들었습니다.

이번 연구로 인체에 삽입된 유연한 LED는 인간 생명 연장과 건강한 삶의 중요한 과제를 해결할 수 있는 흥미롭고 새로운 분야로 꿈같은 일들이 실현될 수 있을 것이라고 합니다.

이건재 교수

이번 연구결과는 나노분야 세계 최고 소식지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 9월호 온라인 판에 게재됐습니다.


또 관련 연구는 2009년부터 국내외에 다수의 특허가 출원·등록되었고, 지난 3월에는 KAIST를 대표하는 브랜드 과제로 선정되기도 했습니다.

이건재 교수는 논문의 공동책임으로 참여한 ETRI 성건용 박사팀과 생체이식형 라벨프리(Label-Free) LED 바이오센서에 대해 후속 연구를 진행 중입니다.


 

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휴대폰이나 심장에 이식한 미세 로봇이 배터리 충전 없이 영구적으로 작동할 수 있을까요?

공상과학 영화에나 나올 법한 이런 일들이 머지않아 가능해 질수도 있습니다.

KAIST 신소재공학과 이건재 교수팀은 압전특성이 우수한

이건재 교수

세라믹 박막물질을 이용해 심장 박동, 혈액 흐름과 같은 미세한 움직임으로도 전기를 만들 수 있는 새로운 형태의 유연한 나노 발전기술을 개발했습니다.

압전특성이란, 가스레인지의 점화스위치처럼 압력이나 구부러짐의 힘이 가해질 때 전기가 발생되는 특성을 말합니다.

‘페로브스카이트(perovskite)’ 구조를 갖는 세라믹 물질들이 높은 효율을 나타내지만 깨지기 쉬운 성질을 가지고 있어 유연한 전자 장치로의 활용이 불가능했습니다.

구부러지는 유연한 나노박막물질에서 전기가 발생되는 모습.


그런데 이 교수팀은 높은 압전특성을 가지면서 깨지지 않고 자유롭게 구부릴 수 있는 세라믹 나노 박막물질을 만들어 고효율 나노 발전기술을 세계 최초로 성공했습니다. 

나노기술과 압전체가 만나서 만들어지는 나노 발전기술은 전선과 배터리 없이도 발전이 가능하기 때문에, 휴대용 전자제품 뿐만 아니라 몸속에 집어넣는 센서나 로봇의 에너지원으로도 사용될 수 있습니다.
게다가 다른 응용기술 여하에 따라 적용 범위가 얼마든지 넓어질 수 있을 전망입니다.

이를 통해 미세한 바람, 진동, 소리와 같이 자연에서 발생되는 에너지원이나 심장 박동, 혈액 흐름, 근육 수축·이완과 같이 사람 몸에서 발생되는 생체역학적 힘으로 전기에너지를 생산할 수 있습니다.


이번에 개발한 나노 발전기술은 이 교수가 2004년 세계 최초로 공동 발명한 ‘고성능 단결정 휘어지는 전자소자’를 토대로 한 것으로, 세라믹 나노박막물질을 유연한 플라스틱 기판 위에 옮겨서 외적인 힘이 주어질 때마다 신소재 압전물질로부터 전기를 얻는 것입니다.

이 나노 발전기술의 회로구조를 변형하면 LED발광도 가능하다고 합니다.

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