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김회준 교수(DGIST 로봇 및 기계전자공학과) / joonkim at dgist.ac.kr
2022-07-20
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에너지 하베스팅은 태양광 발전처럼 개별 장치들이 자연적인 에너지원(태양광, 진동, 열, 바람 등)으로부터 발생하는 에너지 혹은 주변에 버려지는 빛, 운동에너지 등을 모아 저장해 전력으로 변환하는 기술입니다. 에너지 원료의 고갈과 환경오염 문제로 인해 전 세계적으로 지속 가능한 친환경 에너지의 확보가 중요한 이슈로 떠오르고 있는데요. 이번 서면 인터뷰에서 만나 보실 김회준 교수(DGIST 로봇 및 기계전자공학과)는 나노 소재 및 에너지 하베스팅 소자의 새로운 공정법과 다양한 분야에 적용되는 소자 및 기반기술을 연구하고 계십니다. 최근 코코넛을 활용한 압전 에너지 하베스팅 기술을 개발하셨다는데요. 연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다. 1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다. DGIST 로봇및기계전자공학과 소속의 나노소재 및 소자 연구실은 다양한 기능성 소재의 개발 및 이를 기반으로 한 다목적 환경센서 그리고 에너지 시스템 연구를 하고 있습니다. 압전소재 기반의 MEMS 미세먼지-유해가스-수질 모니터링 센서들을 연구하고 있으며 반도체 공정을 활용한 다양한 생체모니터링 웨어러블 센서 연구도 병행하고 있습니다. 에너지 소자의 경우 실생활에서 버려지는 기계적-열적 에너지의 수확이 가능한 압전-마찰전기-초전 효과를 적용한 하이브리드 에너지 하베스팅 기술에 집중하고 있으며 이 기술은 자가발전 (self-powered) 촉각센서에 적용이 가능합니다. 2. 버려지는 코코넛 껍질 섬유의 압전 특성을 활용한 유연한 에너지 하베스팅 소자 개발 하셨다고 하는데요. 자세한 연구방법 및 분석과정에 대한 설명 부탁드립니다. 코코넛, 사탕수수, 대나무와 같이 단단한 조직을 지는 식물에서 발견되는 세룰로오스 (Cellulose) 나노결정(nanocrystal)은 주로 세라믹 결정 에서 발견되는 압전 효과 (piezoelectric effect)가 존재합니다. 동남아지역에서는 매년 2.5억톤의 코코넛 껍질이 버려지며 지구 온난화의 주범으로 뽑히는 가운데 이러한 압전 특성을 활용하여 새로운 응용분야를 개척하고자 본 연구를 진행하게 되었습니다.  저희가 집중한 압전성의 응용분야로 에너지 하베스팅에 집중하였으며 외부에서 가해지는 물리적 충격 또는 힘에 따라 소형 전자기기 구동에 필요한 전력을 수확할 수 있습니다. 코코넛 섬유 기반 에너지 하베스팅 소자 제작을 위해 코코넛 섬유 파우더를 PDMS에 혼합하고 위아래에 전극을 패터닝하여 유연성과 내구성을 향상 시켰습니다. 다양한 코코넛 함유량 과 충격량에 따른 출력을 비교하였고 최고의 효율을 달성하기에 필요한 소자 디자인과 코코넛 섬유 함유량을 결정하였습니다. 다양한 신체의 움직임 또는 마스크에 부착하여 호흡을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 응용분야를 제시하였습니다. 3. 개발하신 소자로 KF94 마스크에 부착하여 사용자의 호흡과 기침 패턴 분석에 활용하셨다고 하는데요. 자세한 내용 설명 부탁드립니다. 개발된 에너지 하베스팅 소자의 경우 매우 얇고 유연하여 옷감이나 피부와 같이 다양한 표면에 탑재가 가능합니다. 코로나 시대에 모든 사람들이 마스크를 쓰고 다니는데요, 마스크 착용시 호흡을 하면 들숨 날숨에 따라 마스크 표면이 움직이게 됩니다. 본 연구에서 개발한 에너지 하베스팅 소자는 이러한 호흡으로 움직이는 마스크의 움직임에서 에너지를 수확하여 자가발전 호흡 모니터링이 가능하게 됩니다. 저희는 다양한 실험자로부터 호흡 패턴을 획득 하였으며 격한 운동 또는 감기에 걸린 경우 불규칙한 호흡 패턴을 구분해 냄으로서 단순 호흡수 측정이 아닌 착용자의 건강상태를 판단 할 수 있는 알고리즘을 개발 및 적용하였습니다. 4. 인체에 무해한 소재를 이용한 마찰전기 나노 발전기에 대한 설명도 부탁드립니다. 기존 마찰전기 나노발전기는 고효율 재료로서 세라믹 나노 복합재료를 사용해 왔으나 환경문제와 생체적용에 적합하지 않다는 문제점이 존재해왔습니다. 이제껏 적용되지 않은 친환경/생체적합성 소재인 Cyclodextrin을 적용하여 높은 에너지전환 효율을 달성하였습니다.  마찰전기 발생계면 뿐 아니라 나노발전기 전체를 친환경 소재로 제작하였으며 이는 새로운 응용분야를 가능케 할 것으로 기대합니다. 고순도의 cylclodextrin 금속유기골격체 (MOF: metal organic framework) 를 상온에서 용액만으로 합성이 가능한 공정을 개발하고 이를 마찰전기 소자의 표면에 탑재하여 고효율 마찰전기 발전기를 개발하였습니다. 또한 이를 책가방 또는 신체에 부착하여 보행 및 요가 운동 등에서 발생하는 움직임으로 에너지를 수확하고 이를 전자계산기 손목 시계의 전력원으로 활용합니다. 5. 마찰전기 나노 발전기의 한계점은 없나요? 마찰전기 나노 발전기 뿐만 아니라 모든 나노발전기의 한계로 뽑히는 부분은 바로 베터리에 비해 낮은 전력 발생량입니다. 이를 개선하기 위해 발전기에서 생성된 에너지를 벳더리 충전에 활용하거나 출력을 높여주는 전력회로 연구가 진행되고 있습니다. 마찰전기 나노 발전기의 한계로는 바로 습도에 취약하다는 점입니다. 겨울에 정전기가 많이 발생하는 이유도 습도 때문인데요, 이러한 습도 의존적 한계를 개선하기 위해 방수 처리를 하거나 마찰전기 나노 발전기를 encapsulate 하는 연구들도 최근 보고되고 있습니다. 6. 계산기, 손목시계 같은 작은 전자기기를 작동시킬 수 있다고 하는데요. 그 원리에 대해 궁금합니다. 실제로 나노 발전기에서 발생하는 전력과 작은 전자기기를 작동시키는데에 필요한 전력에는 간극이 존재합니다. 이를 개선하기 위해 저희는 축전지를 먼저 충전하고 이를 전자기기 작동에 활용 하였습니다. 현존 기술로는 10분 정도 충전을 하면 전자기기를 수십초 정도밖에 작동을 못 시키지만 최근 들어 전력회로의 개발과 마찰전기-압전-열전 등을 복합적으로 활용하는 하이브리드 나노 발전기의 개발을 통해 직접 전자기기를 구동하는 연구도 보고되고 있습니다. 7. 스스로 열을 내어 미세먼지 집진, 계측하는 초소형 센서도 개발하셨는데요. 연구에 대한 자세한 설명 부탁드립니다. 나노 발전기 또는 에너지 하베스팅 소자 외에도 저희 연구실에서는 압전식 MEMS 센서를 개발하고 있습니다. 이 센서의 기본 구동원리는 전력이 공급되었을 때 센서의 디자인에 따라 공진 또는 진동하는 주파수를 조절 할 수 있는데요, 미세먼지과 같이 작은 입자가 부착되면 질량의 변화로 센서의 출력이 달라집니다. 기존의 미세먼지 센서들은 관에 공기를 통과시키고 빛을 쬐어 미세먼지 입자에 따른 빛의 투과율 변화 또는 산란을 바탕으로 대략적인 입자의 크기와 분포를 측정하는 방식입니다.  하지만 세계적으로 통용되는 미세먼지의 단위는 단위부피당 질량이며, 현존 기술로는 이러한 질량을 직접적으로 측정하는데에 한계가 있습니다. 그렇기에 저희가 개발하는 미세먼지 센서는 정확하게 직접적으로 질량의 측정이 가능하다는 점과, 스스로 열을 내는 히터를 탑재함으로서 습도의 영향으로부터 자유롭고 또한 온도에 따라 접착력이 달라지는 폴리스티렌을 적용하여 미세먼지 포집효율을 개선하였습니다. 저희는 이러한 부분을 활용하여 미세먼지 뿐 아니라 유해가스, 습도와 같은 다양한 화학센서로도 활용하고 있습니다. 8. 기존에 사용되는 석영 공진 센서와 비교하여 개발하신 폴리스티렌 물질을 활용한 새로운 센서에 대한 차이점과 장점과 단점에 대해 말씀해주세요. 오래전부터 석영 공진 센서는 미세입자의 질량 또는 반도체 공정시 증착 두께 측정 목적으로 많이 사용되어 왔습니다. 센서의 민감도와 정확도는 이러한 입자와 센서 표면의 접착력에 의존하는데요, 기존 석영 공진 센서는 표면이 메끈한 표면으로 되어 있어 입자의 크기 또는 습도에 따라 접착력의 제어가 어렵다는 단점이 존재하였습니다. 저희는 열가소성 폴리머인 폴리스티렌 물질과 발열히터를 융합하여 먼지 포집시에는 가열하여 표면을 끈끈하게 만들어 먼지의 접착력을 향상시키는 방안을 사용하였습니다. 이를 통해 기존 석영 공진 센서 기반 입자센서대비 우수한 민감도와 6배 이상 수명을 향상시키는 결과를 도출 하였습니다. 9. 최근 압전 에너지 하베스팅 개발 현황과 향후 전망에 대해 궁금합니다. 최근들어 소재 및 새로운 디자인의 소자 개발을 통한 출력을 향상시키는 부분 그리고 이제껏 시도되지 않았던 새로운 응용분야의 개발이 전 세계적으로 진행되고 있습니다. 출력의 경우 보다 효율이 높은 친환경 에너지 소재가 각광을 받고 있으며 에너지 발전기를 다단으로 제작하거나 다양한 에너지 변환 메커니즘을 통합한 하이브리드 형태로 제작하는 연구가 주를 이루고 있습니다. 응용분야의 경우 나노 발전기를 탑재한 바닥 타일을 만들어 보행패턴 분석이나 소프트 로봇 그리퍼에 적용하여 파지하는 물체의 형태와 기계적 특성을 측정하는 연구가 최신기술로 각광받고 있습니다. 또한 최근에는 국내 연구진들이 세계 최초로 인체에 삽입 가능한 마찰전기 나노발전기를 인공심장과 같은 다야한 인체 삽입형 의료기기의 전력원으로 활용이 기대되고 있습니다. 10. 탄소중립 실천으로 에너지 하베스팅 기술에 대한 기대가 매우 높습니다. 어떻게 생각하시는지요. 유럽과 북미뿐 아니라 세계 전역에 걸쳐 탄소중립을 위해 천문학적인 돈과 인력이 동원되고 있습니다. 급속도로 진행되는 지구온난화와 화석 연료의 고갈은 전 세계인의 생존과 직결되어 있는 문제로서 하루빨리 차세대 친환경 에너지원의 개발이 시급한 실정입니다. 이미 많은 상용화가 진행되었고 대한민국의 주력 산업으로 성장한 2차전지, 연료전지 등과 태영광, 풍력 발전등이 각광을 받고 있으나 현실적으로 화석연료를 완전히 대체하기에는 어려운 실정입니다. 현실적으로 에너지 하베스팅 기술도 이러한 한계에서 자유로울 수는 없습니다. 하지만 유연하게 제작할 수 있고 별도의 외부 전력을 필요로 하지 않으며 소형으로 제작될 수 있기에 휴대용 전자기기, 사물인터넷 환경센서의 전력원으로 활용이 기대됩니다. 또한 앞서 언급한 하이브리드 기술과 맞춤형 고효율 전력회로의 발전으로 향후 에너지 하베스팅 기술의 영향력은 점차 높아질 것으로 기대합니다. 11. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요. 대학에서 학생들을 가르치고 또한 연구를 진행하면서 항상 고민하는 부분은 연구실에서 개발한 기술이 관연 어떻게 우리의 삶에 긍정적인 영향을 줄 수 있을것인가입니다. 물론 좋은 논문, 특허 등과 같은 연구성과를 내는 것 도 중요하지만 실질적으로 우리의 삶에 적용할 수 있고 또한 국가 경쟁력에 도움이 되는 기술을 개발하는데에 집중하고 있습니다. 비록 지금 연구하는 원천기술들이 상용화 되지 못할 수도 있고 되더라도 몇 년이 걸릴지 모르겠지만 다양한 응용분야를 개척함으로서 적용 가능한 기술들을 개발하고자 노력 중입니다. 또한 우리의 실생활에 도움이 되는 기술을 개발하기 위해 연구실 밖에서도, 예를 들어 대형마트와 백화점 같은 곳에서 어떤 물품들이 판매되고 있는지, 그리고 TV 예능 또는 다큐멘터리에서 다양한 아이디어를 얻기 위해 노력하고 있습니다. 12. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다. 현재 계획중인 연구는 저희가 보유한 다양한 환경센서와 에너지 소자를 적용하여 안정적인 전력의 공급이 어려운 극지/오지 또는 극한환경에서 활용이 가능한 센서 연구를 목표로 하고 있습니다. 개발한 저전력 환경센서와 에너지 발전기를 융합하여 통합적인 자가발전 센서 시스템을 구현한다면 해저 광케이블, 사막에 위치한 송유관, 산불 감지 등 다양한 곳에 적용이 가능한 센서들을 개발 할 수 있을 것이라 기대합니다. 그리고 무엇보다도 우리가 실생활에서 사용할 수 있는 기술의 개발을 꿈꾸고 있습니다. 13. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면. 대학원생으로서 누릴 수 있는 가장 큰 장점은 바로 경제적인 부분과 상관없이 본인이 하고 싶은 연구를 할 수 있다는 자율성에 있다고 생각합니다. 물론 이러한 자율성에는 책임이 따른다고 생각하는데요, 현재 본인이 하고 있는 연구가 어렵거나 상황이 때론 좋지 않더라도 책임감을 갖고 끝까지 완주하는게 매우 중요하다고 생각합니다. 나노 발전기 연구분야에서 생각해본다면, 단순히 출력이 높은 나노발전기의 개발 보다는 실생활에서 버려지는 에너지를 어떻게 수확할 것인가, 또는 어떤 형태로 제작하여야 하는가 등의 고민이 필요할 것으로 보입니다. 또한 소자 자체뿐 아니라 전력 회로, 기계시스템과의 융합 등이 중요하기에 다른 분야의 연구진들과 자주 교류하고 협력하는 태도가 중요합니다. 좀 더 나아가서 생각해본다면, 좋은 기술 성능외에도 경제적인 부분을 항상 고려해야 한다는 것입니다. 아무리 성능이 뛰어나도 가격이 터무니없이 비싸다거나 쉽게 구할 수 없는 재료를 필요로 한다면 본인이 개발한 기술의 적용이 어려워 지기 때문에 경제성 또는 이윤적인 측면에서도 고민이 필요합니다. 이러한 부분을 잘 인지하고 배워나가기 원한다면 주식 또는 경제뉴스를 자주 접하고 세계적인 경제 트랜드에 익숙해지기를 추천합니다.
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