■ 코코넛 껍질을 이용하여 에너지 하베스팅 소자 개발

 

■ 코코넛 껍질을 이용하여 에너지 하베스팅 소자 개발

 

코코넛 껍질에 있는 섬유를 이용하여 고효율 친환경 에너지 하베스팅(harvesting) 소자로 만드는 기술이 개발됐다. 대구경북과학기술원(DGIST)은 로봇 및 기계전자공학과 김회준 교수팀이 코코넛 껍질 섬유의 압전 특성을 활용한 유연 에너지 하베스팅(harvesting) 소자를 개발했다고 2022년 04월 05일 밝혔다. 기계적 진동이나 움직임으로부터 에너지를 수확하는 압전 에너지 하베스팅(harvesting) 기술은 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만, 기존 압전 소재들은 납과 같은 유해하고 충격에 취약한 단단한 소재들이 대부분이다.

 

연구팀은 코코넛 껍질에 주목했다. 코코넛은 열대 지역에서 쉽게 재배가 가능한 식용 식물이다. 열매는 먹을 수 있으며 코코넛 워터는 음용이 가능하다. 반면, 단단한 껍질은 수세미와 같은 용도로 비행기 엔진 청소 등에 적용되고 있지만 수요 보다 버려지는 양이 월등히 많다. 이로 인해 매년 2억 5,000톤 코코넛 껍질이 버려져 지구 온난화와 토지 환경오염 주범으로 꼽힌다. 

 

연구팀은 단단한 코코넛 껍질 섬유에서 균일한 결정을 가진 형태로 구성된 셀룰로오스 구조를 관찰했다. 방향성을 지닌 셀룰로오스 나노 결정은 압전성을 지니고 있어 다양한 에너지 또는 자가발전 센서로 활용할 수 있다. 연구팀은 이를 활용해 코코넛 껍질 섬유로부터 고순도 파우더를 추출하는 공정을 통해 압전 나노 파우더를 확보하고 이를 압전 폴리머인 PVDF(Polyvinylidene fluoride 이소불화비닐)에 적용해 고효율 압전 에너지 하베스터(harvester)를 개발했다.

 

코코넛 파우더-PVDF 복합체 특성 분석을 통해 기존 PVDF(Polyvinylidene fluoride 이소불화비닐) 보다 우수한 압전성을 확인했으며 이를 기반으로 제작된 에너지 하베스터(harvester)는 약 16배 높은 출력 전압과 12배 높은 출력 전류량을 달성했다. 이번 연구로 제작한 코코넛 섬유 기반 에너지 하베스터(harvester)는 LED 전구, 전자 계산기와 같은 소형 전자기기 전력원으로 활용할 수 있다. 또한, KF94 마스크에 부착해 사용자의 호흡과 기침 패턴 분석에 활용한 결과, 추출된 호흡 패턴 분석을 통해 건강 이상 유무 판단이 가능했다.

 

김회준 교수는 “코코넛 껍질 기반 에너지 하베스터(harvester)를 이용한 소형 전자기기 및 기침 패턴 분석은 외부 전력 없이 개발된 에너지 소자만으로 가능했다. 친환경 소재에도 우수한 압전 특성이 존재해 기존 재료 한계를 뛰어넘을 수 있다는 점에서 의미가 있다” fk고 말했다. 한국연구재단 우수신진연구, DGIST 기본사업의 지원을 통해 이뤄진 이번 연구 성과는 최근 친환경 에너지 분야 국제 학술지 'Sustainable Materials and Technologies'에 게재됐다.