하이브리드 압전 에너지 발전소자

현재 전 세계적으로 무기물 압전 반도체 물질 기반 압전 에너지 발전소자가 활발히 연구되고 있지만, 물질 내부에 존재하는 자유전자로 인해 압전 효율이 높지 못한 상황입니다.

에너지 효율을 기존보다 36배 가량 획기적으로 높인 압전 에너지 발전소자가 국내 연구진에 의해 구현됐습니다.

■ 성균관대 김상우 교수팀은 '유-무기물 하이브리드 구조'를 이용해 효율이 높은 압전 에너지 발전소자를 만드는데 성공하고, 구동 메커니즘을 규명했습니다.

김 교수팀은 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자를 효과적으로 제거하여 고효율의 압전 에너지 발전소자를 구현하고자, n형의 무기물 압전 반도체 물질(산화아연, ZnO)과 p형의 폴리머 물질(P3HT)을 나노구조로 제어·접합시켜, P3HT 내부에 존재하는 정공과 산화아연 내부에 존재하는 자유전자와의 결합을 유도하여 압전 효율을 크게 증가시켰습니다.

유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자는 무기물 압전 반도체만을 이용한 압전 에너지 발전소자보다 에너지 변환효율이 36배 이상 대폭 증가되었습니다.

이 결과를 바탕으로 연구팀은 배터리와 같이 외부의 전력공급원 없이 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자만으로 적색, 녹색, 청색 LED를 구현하는데 성공하여 차세대 에너지 기술 분야에서 획기적인 발전을 이룬 것으로 평가받고 있습니다.

이번 연구는 성균관대 김상우 교수가 주도하고, 이근영 박사과정생(제1저자), 최덕현 경희대 교수(공동교신저자), 종린 왕 조지아텍 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(3월 16일자)에 게재되었습니다. 
(논문명: P-Type Polymer-Hybridized High-Performance Piezoelectric Nanogenerators)

(왼쪽부터 시계방향으로) 성균관대 김상우 교수, 이주혁, 승완철, 김성균, 김도환 석사과정생, 이근영 박사과정생

 

 용  어  설  명

압전(壓電)에너지 발전소자 :
초음파, 미세진동, 혈류, 바람, 조류, 신체 움직임 등 주변 환경에 존재하는 기계적 에너지를 압전효과를 이용해 전기에너지로 변환시키는 소자.
초음파, 미세진동, 혈류, 바람, 조류, 신체 움직임 등 주변 환경에 존재하는 기계적 에너지를 압전효과를 이용하여 전기에너지로 변환하여주는 소자로서, 최근에는 압전소재의 나노화를 통하여 압전 효율을 대폭으로 향상시킬 수 있고 파괴 없이 큰 변형이 가능하여 기계적으로 매우 안정한 소자 제작이 가능하여 고효율의 에너지 발전소자를 구현할 수 있음.
자연 에너지만으로 전력을 발생할 수 있어서 차세대 그린 에너지장치로 활용이 가능함.
예로 신발 속에 초소형 압전 에너지 발전소자를 내장할 경우, 걷거나 뛸 때 생기는 운동에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있음.
또한 신체 내 혈류의 흐름에 의한 기계적 에너지를 전기에너지로 변환이 가능하여 심박동 센서 등의 바이오메디컬 장비로도 응용이 가능함

n형 무기물 압전 반도체 :
전기 전도현상을 지배하는 주된 운반체가 정공(hole)이 아니라 전자(electron)인 무기물 압전 반도체

압전효과 (Piezoelectric Effect) :
○ 원자가 규칙적으로 정렬되어 있는 결정에 일정한 방향으로 압력을 가했을 때, 전기적 분극 현상이 유기되는 전기 유전적 특성. 즉 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용으로 압력이나 진동을 가하면 전기가 발생하고 전기를 흘려주면 진동이 발생하는 효과임

산화아연 (ZnO) :
아연산화물 형태로서 반도체 특성을 나타내며 자외선 영역의 고유한 발광을 할 수 있으며, 전기적 특성 제어를 통해 디스플레이 소자 및 태양전지의 투명전극 물질로 사용되고 있음. 또한 강한 압전 효과를 나타내어 최근 압전 에너지 발전소자 구현을 위한 압전 물질로서의 응용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있음

P3HT(poly-3-hexylthiophene) :
전도성 폴리머로 p-type 반도체 특성을 나타냄. 결정성이 높은 고분자로서 주로 유기물 태양전지 활성층의 donor 재료 및 광흡수 물질로서 널리 사용되고 있음

나노 레터스(Nano Letters)誌
세계적 권위의 나노분야 대표과학전문지 (인용지수 impact factor 12.186)

 

<연 구 개 요> 압전 에너지 발전소자는 기존의 태양전지, 풍력, 연료전지등과 같은 친환경 에너지와 달리 주변에 존재하는 미세진동이나 인간의 움직임과 같은 소모성의 기계적 에너지를 전기에너지로 무한히 추출할 수 있는 새로운 개념의 친환경에너지 발전소자로서 자연계에 존재하는 미소에너지원을 활용할 수 있는 장점이 있다.  전 세계적으로 압전 에너지 발전소자의 출력 향상을 통해 차세대 에너지원으로서의 응용을 위한 실용화 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 낮은 출력을 나타내고 있다. 그 중 무기물 압전 반도체를 기반으로 한 압전 에너지 발전소자의 경우, 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자가 기계적 응력에 의해 발생되는 압전 포텐셜을 감소시켜 압전 효율이 감소하는 것으로 알려져 있다.  이번 연구는 무기물 압전 반도체 내부에 존재하는 자유전자를 효과적으로 제거하여 고효율의 압전 에너지 발전소자를 구현하기 위한 효과적인 방법으로, n형의 무기물 압전 반도체 물질인 산화아연(ZnO)과 p형의 P3HT(Poly(3-hexylthiophene))를 나노구조로 제어·접합시켜, P3HT 내부에 존재하는 정공과 산화아연 내부에 존재하는 자유전자를 결합시켜 제거하고, 추가적으로 압전 포텐셜에 의한 유·무기물 계면에서 페르미준위(Fermi Level)의 변화를 유도하여 압전 효율을 크게 증가시켰다. 뿐만 아니라 출력향상을 위해 전도성 폴리머인 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)과 P3HT를 섞어 압전 포텐셜에 의해 추가적인 전하가 공급될 수 있도록 소자를 설계하여 압전 출력을 대폭 향상시켰다. 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자는 기존 무기물 압전 반도체만을 이용한 압전 에너지 발전소자와 비교하여 0.068%의 기계적 응력 하에서 압전 전압 및 전류밀도가 각각 18배(1.45V), 3배(6.05μA/cm2)로 증가하였고, 에너지 변환효율이 0.5%에서 18%로 36배(0.88W/cm3) 이상 대폭 증가되었다. 이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 배터리와 같은 외부의 전력공급원 없이 유·무기물 하이브리드 구조를 이용한 압전 에너지 발전소자만으로 적색, 녹색, 청색 발광다이오드(LED)를 구동시킴으로써 차세대 에너지 기술 분야에서 획기적인 결과를 거둔 것으로 평가받고 있다. 그림 1. n형 무기물 압전 반도체인 산화아연(ZnO) 기반 압전 에너지 발전소자의 구조(a) 및 에너지 발전 메커니즘(b), 측정된 압전 전압(c), 전류밀도(d)   그림 2. n형 무기물 압전 반도체인 산화아연(ZnO)과 P형 P3HT 기반 유·무기물 하이브리드 구조의 압전 에너지 발전소자의 구조(a) 및 에너지 발전 메커니즘(b), 측정된 압전 전압(c), 전류밀도(d)   그림 3. n형 산화아연과 P3HT:PCBM 기반 유·무기물 하이브리드 구조의 압전 에너지 발전소자의 구조 및 에너지 발전 메커니즘(a), 측정된 압전 전압(b), 전류밀도(c)   그림 4. 유·무기물 하이브리드 구조 기반 압전 에너지 발전소자의 직·병렬 연결에 통한 측정 전압(a), 전류밀도(b) 및 LED 적색, 녹색, 청색 발광다이오드(LED) 구동

<김상우 교수> 1. 인적사항 ○ 성      명 : 김상우 (金湘祐, 40세) ○ 소      속 : 성균관대학교 신소재공학부, 성균나노과학기술원 2. 학력사항 ○ 1998년 : 성균관대학교 금속공학과 (학사) ○ 2000년 : 광주과학기술원 신소재공학과 (석사) ○ 2004년 : Kyoto University 전자공학과 (박사) 3. 경력사항 ○ 2004년 ~ 2005년 : University of Cambridge, Research Associate  ○ 2005년 ~ 2009년 : 금오공과대학교 전임강사, 조교수 ○ 2009년 ~ 현  재 : 성균관대학교 신소재공학부 조교수, 부교수 4. 주요연구업적 ○ "Large-Scale Synthesis of High-Quality Hexagonal Boron Nitiride Nanosheets for Large-Area Graphene Electronics", K. H. Lee, H. J. Shin, J. Y. Lee, I. Y. Lee, G. H. Kim, J. Y. Choi, and S.-W. Kim, Nano Lett., 12, 714 (2012) ○ "Controlled Growth of Semiconducting Nanowire, Nanowall, and Hybrid Nanostructures on Graphene for Piezoelectric Nanogenerators", B. Kumar, K. Y. Lee, H.-K. Park, S. J. Chae, Y. H. Lee, and S.-W. Kim, ACS Nano, 5, 4197 (2011) ○  "Sound-Driven Piezoelectric Nanowire-Based Nanogenerators", S. N. Cha, J.-S. Seo, Seong Min Kim, H. J. Kim, Y. J. Park, J. M. Kim, and S.-W. Kim, Adv. Mater., 22, 4726 (2010) ○  "Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrodes", D. Choi, M.-Y. Choi, W. M. Choi, H.-J. Shin, J.-S. Seo, J. Park, S.-M. Yoon, S. J. Chae, Y. H. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, and J. M. Kim, Adv. Mater., 22, 2187 (2010) ○ "Mechanically Powered Transparent Flexible Charge-Generating Nanodevices with Piezoelectric ZnO Nanorods", M.-Y. Choi, D. Choi, M.-J. Jin, I. Kim, S.-H. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, J. M. Kim, and S.-W. Kim, Adv. Mater., 21, 2185 (2009)

<최덕현 교수>  1. 인적사항  ○ 성      명 : 최덕현 (崔德賢, 36세) ○ 소      속 : 경희대학교 기계공학과 조교수 2. 학력 ○ 2000년 : 포항공과대학교 재료금속공학 (학사) ○ 2002년 : 포항공과대학교 기계공학과 (석사) ○ 2006년 : 포항공과대학교 기계공학과 (박사) 3. 경력사항 ○ 2006년 ~ 2006년 : 포항공과대학교 시스템바이오다이나믹스 센터 박사후 연구원 ○ 2007년 ~ 2008년 : University of California at Berkeley (UC-Berkeley), Bioengineering, Berkeley Sensor and Actuator Center (BSAC), Biomolecular Nanotechnology Center (BNC) 박사후 연구원 ○ 2008년 ~ 2010년 : 삼성종합기술원, Flexible Electronics Group 전문연구원 ○ 2010년 ~ 현  재 : 경희대학교 기계공학과 전임강사, 조교수 4. 주요연구내용 ○ "Control of naturally coupled piezoelectric and photovoltaic properties for multi-type energy scavengers", D. Choi, K. Y. Lee, M. J. Jin, S. G. Ihn, S. Y. Yun, X. Bulliard, W. Choi, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J. Y. Choi, J. M. Kim, Z. L. Wang, Energy Environ. Sci., 4, 4607 (2011) ○  "Charge-Generating Mode Control in High-Performance Transparent Flexible Piezoelectric Nanogenerators", H.-K. Park, K. Y. Lee, J.-S. Seo, J.-A. Jeong, H.-K. Kim, D. Choi, and S.-W. Kim, Adv. Funct. Mater., 21, 1187 (2011) ○  "Fully Rollable Transparent Nanogenerators Based on Graphene Electrodes", D. Choi, M.-Y. Choi, W. M. Choi, H.-J. Shin, J.-S. Seo, J. Park, S.-M. Yoon, S. J. Chae, Y. H. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, S. Y. Lee, and J. M. Kim, Adv. Mater., 22, 2187 (2010) ○ "Self-organized Hexagonal Nanopore SERS", D. Choi, Y. Choi, S. Hong, T. Kang, and L. P. Lee, Small, 6, 1741 (2010) ○ "Additional Amplification of SERS via Optofluidic CD-based Platform", D. Choi, T. Kang, H. Cho, Y. Choi and L. P. Lee, Lab on a Chip, 9, 239 (2009)

<이근영 박사과정>  1. 인적사항 ○ 성      명 : 이근영 (李根永, 30세) ○ 소      속 : 성균관대학교 신소재공학부 2. 학력사항 ○ 2009년 : 금오공과대학교 재료공학과 (학사) ○ 2011년 : 성균관대학교 신소재공학과 (석사) ○ 2011년 ~ 현  재 : 성균관대학교 신소재공학과 (박사과정) 3. 경력사항 ○ 2011년 ~ 현  재 : 교육과학기술부, 한국연구재단 글로벌박사펠로우쉽(Global Ph.D. Fellowship) 선정·수행 중 4. 주요연구내용 ○ "Controlled Growth of Semiconducting Nanowire, Nanowall, and Hybrid Nanostructures on Graphene for Piezoelectric Nanogenerators", B. Kumar, K. Y. Lee, H.-K. Park, S. J. Chae, Y. H. Lee, and S.-W. Kim, ACS Nano, 5, 4197 (2011) ○ "Control of naturally coupled piezoelectric and photovoltaic properties for multi-type energy scavengers", D. Choi, K. Y. Lee, M. J. Jin, S. G. Ihn, S. Y. Yun, X. Bulliard, W. Choi, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J. Y. Choi, J. M. Kim, Z. L. Wang, Energy Environ. Sci., 4, 4607 (2011) ○ "Charge-Generating Mode Control in High-Performance Transparent Flexible Piezoelectric Nanogenerators", H.-K. Park, K. Y. Lee, J.-S. Seo, J.-A. Jeong, H.-K. Kim, D. Choi, and S.-W. Kim, Adv. Funct. Mater., 21, 1187 (2011) ○ "Piezoelectric touch-sensible flexible hybrid energy harvesting nanoarchitecture", D. Choi, K. Y. Lee, K. H. Lee, E. S. Kim, S. Y. Lee, S.-W. Kim, J.-Y. Choi, and J. M. Kim, Nanotechnology. 21, 405503 (2010)