밟기만 해도 전기가 발생한다…“성인 4명이 올라가면 2mA”

주석-주석 산화물 코어-쉘 구조 나노입자© 뉴스1

성인 4명이 밟으면 저전력 블루투스 모듈이 작동할 수 있는 수준인 약 2mA(밀리암페어) 정도의 전력이 발생하는 소자가 개발됐다. 이 기술은 차세대 고용량 이차전지나 사물인터넷(IoT) 웨어러블 기기 등에 활용될 수 있을 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김상태 전자재료연구단 박사팀이 육종민 한국과학기술원(KAIST) 교수팀과 함께 압력이 배터리의 충전과 방전 과정에서 미치는 영향을 밝히고 압력을 가해 충전할 수 있는 리튬이온 배터리 소자를 개발했다고 29일 밝혔다.

최근 대용량 에너지저장 매체가 이목을 끌면서 고용량 리튬합금 배터리 개발이 한창이다. 이 배터리들은 충전·방전과정에서 용량이 저하되고 부피가 변하는 한계가 있다.

연구팀은 고용량 리튬합금 전극 물질인 주석을 활용해 압력이 배터리에 미치는 영향을 나노 단위에서 실시간으로 직접 관찰, 해석했다. 그래핀 액상 투과전자현미경을 사용했다. 그 결과, 전극 충전 시 압력에 의한 방전 현상을 관찰했다. 모델링을 통해 배터리 전극 내 압력 차이를 예측하고 그에 따른 전기화학 에너지 차이가 리튬 이온의 이동과 방전의 구동력임을 알아냈다.

사람의 밟는 움직임과 같은 압력으로 리튬을 이동시켜 충전하는 배터리를 구성할 수 있게된 것이다. 연구진은 구부리거나 밟는 등 외부에서 힘을 줄 때 충전되는 배터리 소자를 개발해 테스트를 진행했다. 그 결과 성인 남성 1명이 밟았을 때 약 0.5 mA 정도의 전력이 발생했다. 이는 성인 4명이 밟는다고 가정했을 때 저전력 블루투스 모듈이 부착된 센서(약 2 mA)를 구동하는 것이 가능한 전력이다.

외부에서 전기를 공급하지 않아도 스스로 전기를 만들고 저장하는 이 소자는 앞으로 보도블럭 등에 설치돼 버려지는 폐열이나 진동 등 에너지를 전기로 변환하는 ‘에너지 하베스팅’ 기술로 쓰일 전망이다.

김상태 KIST 박사는 “이번 연구결과는 기계에너지를 전기화학 에너지로 저장 가능한 성과”라면서 “IoT 센서 등 고효율 에너지 하베스터 설계에 이바지할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 최신호에 실렸다.


(서울=뉴스1)