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문제 정의
- 따라서 3D 프린팅 기술을 통해 압전 에너지 하베스팅 소자의 성능 향상뿐 아니라 대량화를 통한 상용화를 기대할 수 있다. 본 고에서는 압전에너지 하베스팅 기술의 연구 동향을 살펴보고 3D 프린팅 기술적용을 통한 미래의 발전 전망에 대해 살펴보고자 한다.
제안 방법
- (Fig. 5) 또한 일본의‘음력발전’이라는 기업에서 만든 압전 하베스팅‘발전마루’는 진동 효과를 극대화시키는 진동판을 이용하여 사람이 걷거나 차량이 주행하는 동안 발생하는 진동에너지를 전기에너지로 변환하였다.
- 특히 3D 프린팅은 데이터 설계를 통해 맞춤형 생산이 가능하기 때문에 기존에 압전 에너지 하베스팅 소자로 구현하기 어려웠던 인체 모방 형태의 소자 및 인체 삽입형의 초소형 소자를 제작하는데 있어 큰 발전을 가져올 것으로 기대된다. Fig. 14에서 볼 수 있듯이 최근 3D 프린팅 기술을 이용하여 압전 나노입자와 폴리머를 혼합한 하베스팅 소자에 대한 연구를 진행하였다.18)비연계 압전 물질과 폴리머를 이용한 이 압전 에너지 하베스팅 소자는 현재의 절삭 기술로는 불가능한 크기와 형태제어의 제한을 3D 프린팅 기술로 극복하고 고차원의 3D 구조의 압전 소자를 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다.
- 나노와이어를 성장시켜 나노 센서에 전원 공급을 위한 압전 나노발전기를 제작하여 출력특성을 평가하였다.12)최근에는 KNbO3(KN) 나노선을 합성하고, 고분자와 혼합하여 만든 나노제너레이터가 10.
대상 데이터
- 10. BT 박막을 이용한 나노 압전 제너레이터.
- 9. KN 나노선을 이용한 나노 압전 제너레이터.
- 11. PZT 박막을 이용한 나노 압전 제너레이터.
- 7. Z. L. Whang 그룹에서 연구한 Vertical ZnO 나노 제너레이터.
성능/효과
- Park 등의 연구에서 flexible 기판 위에 BT 박막을 형성한 경우 약 7mW/cm3의 높은 전력 밀도를 얻을 수 있었다.14) Fig. 10에서 볼 수 있듯이 BT 박막 나노제너레이터는 전통적인 마이크로 단위의 소자 제작법과 Soft Lithographic 기술을 이용하여 압전 성질의 손실 없이 BT 박막을 플라스틱 기판으로 옮기며 박막형 나노 압전 제너레이터의 발전 가능성을 열어 주었다.
- 3D프린팅 기술은 3차원 스캔이나 3차원 모델링을 통하여 획득된 디지털 데이터를 적층가공 방식 (Additive Manufacturing: AM)으로 제작하는 가공기술이다.17) 기존의 금형, 몰딩 등 다른 제조방법에 비해 비용 및 시간을 절감할 수 있고 다양한 구조 설계가 가능하다는 장점을 가지고 있지만 무엇보다 분말이나 액상의 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 물질을 가공할 수 있다는 점에서 그 활용도가 매우 높다. 이러한 3D 프린팅을 구현하는 방법에는 크게 SLS(Selective Laser Sintering), DLP (Digital Light Processing), FDM(fused deposition modeling) 방식이 있다.
- 14에서 볼 수 있듯이 최근 3D 프린팅 기술을 이용하여 압전 나노입자와 폴리머를 혼합한 하베스팅 소자에 대한 연구를 진행하였다.18)비연계 압전 물질과 폴리머를 이용한 이 압전 에너지 하베스팅 소자는 현재의 절삭 기술로는 불가능한 크기와 형태제어의 제한을 3D 프린팅 기술로 극복하고 고차원의 3D 구조의 압전 소자를 구현했다는 점에서 큰 의의가 있다.
- 7mW의 자체 전력을 발생시켰다.6) 이러한 압전 에너지 하베스팅 시스템은 훈련 중 걷나가 달리는 움직임만으로도 전원이 없는 곳에서도 자체 전원 공급을 하여 군사 훈련 시 수개월동안 야외에서 훈련활동을 할 수 있도록 구현하였다.
- 11에서는 단결정 PMN-PT를 사용한 에너지 하베스팅 연구를 보여준다. PMN-PT를 사용한 유연 압전 에너지 하베스팅 소자는 Ni Exfoliation 기술을 이용하여 0.22mA의 이전의 유연 압전 제너레이터 보다 수십 배 향상된 전류를 만들어 냈으며, 이는 인공 심장박동기 등 체내에 이식이 가능한 소형 장치를 구동시킬 수 있는 수치로 압전 에너지 하베스팅을 통한 체내 자가발전 의료소자 시스템의 구현 가능성을 보여주었다.16)
후속연구
- 특히 이 기술을 현재 각광받고 있는 3D 프린팅 기술과 융합시킨다면 더욱 다양하고 미세한 구조와 적합한 물성 제어가 가능하며 데이터 시뮬레이션을 통한 최적의 압전 에너지 하베스팅 소자 개발이 가능하다. 따라서 3D 프린팅 기술은 압전 에너지 하베스터의 성능뿐 아니라 상용화로의 발전가능성을 증가시켰으며 이러한 융합 연구가 활발해 질 것으로 보인다.
- 뿐만 아니라 스트러쳐블, 웨어러블 기술과 융합한 에너지 하베스팅 기술은 전자 섬유로 이루어진 스마트 전자기기 및 패치형 센서 제품 등에서 중요하게 활용될 것이다. 무엇보다 인체의 미세한 움직임으로 발생하는 에너지로도 전원을 공급받을 수 있어 바이오 센서, 인공 장기 등 다양한 인체 삽입형 소자에 응용되어 생명 공학 및 의료 분야에 큰 발전을 가져올 것으로 기대한다. 특히 이 기술을 현재 각광받고 있는 3D 프린팅 기술과 융합시킨다면 더욱 다양하고 미세한 구조와 적합한 물성 제어가 가능하며 데이터 시뮬레이션을 통한 최적의 압전 에너지 하베스팅 소자 개발이 가능하다.
- 특히, 모든 전자기기의 네트워크가 형성되는 미래에는 압전 에너지 하베스팅을 이용한 자가 구동 시스템이 중요한 분야로 자리 잡을 것이다. 뿐만 아니라 스트러쳐블, 웨어러블 기술과 융합한 에너지 하베스팅 기술은 전자 섬유로 이루어진 스마트 전자기기 및 패치형 센서 제품 등에서 중요하게 활용될 것이다. 무엇보다 인체의 미세한 움직임으로 발생하는 에너지로도 전원을 공급받을 수 있어 바이오 센서, 인공 장기 등 다양한 인체 삽입형 소자에 응용되어 생명 공학 및 의료 분야에 큰 발전을 가져올 것으로 기대한다.
- 미래의 네트워크 전자기기 시스템에서 에너지 하베스팅 소자를 에너지원으로 활용한 무선 통신 방식은 필수적이다. 압전 나노제너레이터는 센서 네트워크 시스템에서 각종 소형 센서의 영구적인 구동 전압으로 사용될 수 있으며 이를 웨어러블 기술과 통합시키면 구글 글래스, 스마트 워치, 전자 섬유로 이루어진 패치형 직물, 센서 제품 등 다양한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대된다. 하지만 무엇보다 나노 압전 하베스팅 기술이 가장 기대되는 분야는 바이오-의료 산업이다.
- 이처럼 자가발전이 가능한 하베스팅 소자에 3D 프린팅 기술을 활용하여 다양한 구조에 대한 형상화가 가능하다면 고출력 및 고효율을 가져올 것으로 보인다. 압전 효율이 최적인 구조를 시뮬레이션으로 도출해내고 이를 3D 프린팅 기술로 그대로 재현에 낸다면 압전 에너지 하베스팅 소자의 상용화 및 고성능화로 이어질 것이다. 뿐만 아니라 3D 프린팅 기술은 압전 하베스팅 소자의 구조적인 향상에 그치지 않고 소재의 특성도 제어할 수 있기 때문에 더욱 유용하다.
- 앞서 압전 에너지 하베스팅과 3D 프린팅 기술 동향에서 살펴봤듯이 압전 에너지 하베스팅 기술을 현재 활발히 연구되고 있는 3D 프린팅 기술과 접목시킨다면 그 효율성뿐만 아니라 생산성에서도 큰 시너지 효과를 가져올 것이다. 특히 3D 프린팅은 데이터 설계를 통해 맞춤형 생산이 가능하기 때문에 기존에 압전 에너지 하베스팅 소자로 구현하기 어려웠던 인체 모방 형태의 소자 및 인체 삽입형의 초소형 소자를 제작하는데 있어 큰 발전을 가져올 것으로 기대된다.
- 이러한 압전 에너지 하베스팅 시스템의 고출력 및 고효율화를 구현하기 위해서는 소재 및 구조의 개발에 관한 더 많은 연구가 필요하다. 압전 에너지 하베스팅 소자는 주로 캔틸레버라는 간단한 전력변환 구조물을 이용하여 소자 제작이 비교적 간단하다는 장점이 있지만 아직 대량생산 연구에 따른 본격적인 상용화가 이루어지지 않고 있다.
- 이처럼 자가발전이 가능한 하베스팅 소자에 3D 프린팅 기술을 활용하여 다양한 구조에 대한 형상화가 가능하다면 고출력 및 고효율을 가져올 것으로 보인다. 압전 효율이 최적인 구조를 시뮬레이션으로 도출해내고 이를 3D 프린팅 기술로 그대로 재현에 낸다면 압전 에너지 하베스팅 소자의 상용화 및 고성능화로 이어질 것이다.
- 앞서 압전 에너지 하베스팅과 3D 프린팅 기술 동향에서 살펴봤듯이 압전 에너지 하베스팅 기술을 현재 활발히 연구되고 있는 3D 프린팅 기술과 접목시킨다면 그 효율성뿐만 아니라 생산성에서도 큰 시너지 효과를 가져올 것이다. 특히 3D 프린팅은 데이터 설계를 통해 맞춤형 생산이 가능하기 때문에 기존에 압전 에너지 하베스팅 소자로 구현하기 어려웠던 인체 모방 형태의 소자 및 인체 삽입형의 초소형 소자를 제작하는데 있어 큰 발전을 가져올 것으로 기대된다. Fig.
- 무엇보다 인체의 미세한 움직임으로 발생하는 에너지로도 전원을 공급받을 수 있어 바이오 센서, 인공 장기 등 다양한 인체 삽입형 소자에 응용되어 생명 공학 및 의료 분야에 큰 발전을 가져올 것으로 기대한다. 특히 이 기술을 현재 각광받고 있는 3D 프린팅 기술과 융합시킨다면 더욱 다양하고 미세한 구조와 적합한 물성 제어가 가능하며 데이터 시뮬레이션을 통한 최적의 압전 에너지 하베스팅 소자 개발이 가능하다. 따라서 3D 프린팅 기술은 압전 에너지 하베스터의 성능뿐 아니라 상용화로의 발전가능성을 증가시켰으며 이러한 융합 연구가 활발해 질 것으로 보인다.
- 13는 기존에 행해졌던 3D 프린팅 기술의 다양한 응용 사례를 보여준다. 특히 인체의 미세한 진동으로 에너지를 얻는 인공 생체 압전 에너지 하베스팅 소자 제작이 있어 3D 프린팅 기술을 사용한다면 맞춤형 설계를 통해 복잡한 구조의 소자를 구현할 수 있을 것으로 기대 된다.
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