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제주대학교 메카트로닉스공학과 김상재 교수 연구팀이 스스로 발전하고 동시에 전기를 저장하는 일체형 축전지를 개발함. 이 축전지는 압력으로 전기를 생산하는 압전체와 초고용량 축전지 '수퍼케퍼시터'를 접목했음.

가로, 세로 2㎝의 일체형 축전기는 압전소재로 된 분리막으로 구성해 외부에서 누르는 힘이 전기로 변형돼 저장까지 동시에 가능하게 만들었음. 연구진은 처음 소자의 충전전압이 0.1V였던 것에서 지속적인 개선을 통해 0.7V까지 축전기를 향상시켰음.

일체형축전기는 5.62㎽ cm-2에 상응하는 전력 밀도에서 46.97mJ cm-2의 높은 에너지 밀도를 가짐. 연구진은 완전히 충전된 일체형축전기로 5분에 걸쳐 다기능 전자 디스플레이를 작동시켰음.

현재로서는 LED를 점등하거나 트랜지스터를 작동할 수 있고 간단한 장난감에 적용할 수 있는 수준임.

김상재 교수는 26일 "만약 실용화할 수 있는 1.5V 정도의 충전전압으로 발전시키면 반영구적으로 충전이 필요없는 스마트 장난감은 물론 휴대용 의료기기나 웨어러블 전자기기 등에의 적용을 기대해 볼수 있다"고 설명함.

연구진은 또 일체형 축전기에 외력이 가해질때 전류-전압특성을 분석했음. 그 결과 축전기 내부의 전하분포상태 정보를 알려주는 전류 피크 구조가 나타나는 새로운 현상을 발견했음.

즉 외부전원없이 바람과 같은 기계적인 힘이 소자에 가해질때 전극간 전하의 이동에 따른 에너지변환 과정을 시각화할 수 있는 실마리를 제공한 것임.

김상재 교수는 "향후 걸으면서 충전되는 외골격 로봇이나 바퀴 회전으로 충전되는 전기자전거·전기차 등 외부전원없이 기계적 움직임만으로 자가발전되는 여러 친환경 기계·전자장치의 보조전원을 실현할 수 있을 것"이라고 말함.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ 지에 게재됨.