○ 생태계의 대기나 물과 같은 유체 환경의 오염이 심각해지면서 인간의 건강 및 환경에 직접적으로 큰 피해를 주고 있음. 이로 인한 미세먼지, 미세플라스틱의 흡입 및 섭취로 인한 호흡기 질환, 면역시스템 기능 저하와 같은 연구 결과들이 대표적으로 보여짐. 위 문제는 향후 심화 및 가속될 것으로 예상되기에, 인류 건강 및 삶의 질 향상을 위한 청정 환경 인프라...

○ 본 연구는 '적응형 하이브리드 바람 에너지 하베스팅 기술 기반 에너지 자립형 원격 환경 모니터링 시스템 개발'을 최종목표로 함. ○ 현재 바람을 통한 소형 에너지 하베스팅 관련 분야의 공백기술은 (1) 입력 에너지원의 역학적 특성이 고려된 에너지 하베스팅 소자 개발, (2) 하이브리드 에너지 하베스팅 소자의 출력 특성이 고려된 회로 기술 개발, (3) ...

○ 본 연구과제의 경량의 착용형 고출력 발전 패키지 개발 관련 연구내용은 아래와 같은 세 가지 큰 요소기술의 개발 및 연구로 이루어짐. 1) 고출력 다중 정전소자 모듈 - 정전소자는 두 개의 다른 소재가 접촉 후 분리되며 표면에 자발적으로 생성되는 전하를 통해 전기를 유도하고, 이를 활용하는 에너지 수확 소자임. 정전소자의 출력이 소재 내부/표면의 전하량과 매우 밀접한 관계에 있다는 점을 고려하여, 본 연구에서는 심화된 전하삽입기술(예: 열처리를 포함한 코로나 충전 기술 등)을 적용하여 소재 내 전하량 및 시간에 따른 전하 유지 성능을 극대화하고, 이와 더불어 기존 정전소자의 습도에 취약한 특성을 보완하기 위한 봉지기술(encapsulation)을 적용하여 고내구성 고출력 정전소자를 설계 및 개발하고자 함. - 다른 에너지 수확 소자들에 비해 다양한 형태 및 재료 구성이 가능한 정전소자의 장점을 최대한으로 활용하기 위해 비출력(specific power, 단위 무게당 생산 전력) 극대화 연구를 세계 최초로 진행하고, 특히 구동 중 추가적인 부피 변화가 거의 없는 회전형 정전소자 형태를 기반으로, 경량화 및 병렬화된 다중 정전소자 모듈을 개발하여 실용성을 극대화하고자 함. 본 연구는 기존 정전소자 연구에서 초점이 맞추어진 고출력화 뿐만 아니라, 실용성 증대에도 초점이 맞추어져 있음. 2) 관절 맞춤형 정전소자 구동부 - 인체의 관절 움직임은 활동 중 가장 많은 생체역학적 에너지를 수반하지만, 이를 효과적으로 포집하기 위해서는 관절의 기본 운동 특성을 정전소자의 구동에 적합한 운동 특성으로 변환하여 정전소자에 많은 양의 에너지를 전달할 수 있어야 하나, 기존 정전소자는 이를 반영하지 못함. - 인체의 관절 움직임을 활용한 정전소자의 효과적인 구동은 관절 운동 특성(최대토크, 속도, 운동범위 등)에 따라 맞춤형으로 설계되어야 하므로 생체역학적 운동 분석에 기반한 타겟 관절 모델을 개발하고, 관절 맞춤형 정전소자 구동부를 설계하고자 함. - 회전형 정전소자의 기본적인 구동은 운동거리에 비례하는 펄스(pulse)형 전기 신호에 기반을 둔 높은 순간발생 출력을 생산하지만, 이는 DC 연속(continuous) 신호로 변환할 시 매우 낮은 출력량이기 때문에 전자기기의 실시간 구동을 위해서는 적합하지 않음. 본 연구에서는 정전소자 운동거리의 비약적 증대를 위해, 높은 속도 전달비율을 갖는 동력전달요소(기어 등)를 관절 맞춤형 정전소자 구동부의 핵심 구성요소로 활용하여 정전소자의 효과적 구동을 통해 높은 출력량을 생산하고자 함. 기 수행 연구 결과에 따르면 맞춤형 정전소자 구동부의 활용으로 인한 전체 시스템의 관성모멘트 변화를 통해, 같은 운동(kinematic motion)에 대하여 미활용 대비 최소 100 배 이상의 출력 전기에너지를 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있음. 3) 적응형 전기/전자회로 - 정전소자의 구동을 통해 생산되는 출력 전기 신호는 다른 에너지 수확 소자들의 신호와는 매우 상이한 특성을 포함하고 있으며 정전소자의 구동 환경에 따라서도 매우 크게 달라지기 때문에, 이를 효율적으로 활용하기 위해 표준화된 신호로 변환가능한 최대 전력점 추적 기술기반 적응형 전기/전자회로를 개발하고자 함. 최종적으로는 이를 착용형 고출력 발전 패키지의 구성 요소로 활용하여, 관절 움직임을 통해 생산되는 전기에너지를 효과적으로 저장/사용하고자 함.