KITECH 생산기술 전문지

이식형 전자 장치에 지속 가능한 에너지를 공급하기 위해 기계적 에너지 하베스터 (Mechanical energy harvesters)가 중요한 연구 분야로 주목받고 있다. 특히 기계적 에너지 하베스터와 이식형 전자장치의 통합은 기존의 베터리, 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치가 갖는 문제점을 해결할 수 있어 많은 연구가 이루어지고 있다 [1, 2]. 기존의 에너지 저장 장치는 크고 무겁고 딱딱하기 때문에 이식형 전자장치의 에너지원으로 적합하지 않다. 더불어 지속적인 충전 및 교체가 필요하기 때문에 주기적인 수술을 요구하며, 신체 내 이온으로 구성된 전해질 환경은 에너지 저장 소자를 부식시켜 체내에 심각한 문제를 야기할 수 있다 [3]. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전해질 내 환경에서 반영구적으로 에너지를 생산할 수 있는 작고, 가볍고, 부드러운 이식형 기계적 에너지 하베스팅 소자에 대한 연구가 필요하다.
케모-메커니컬 (Chemo-mechanical) 에너지 하베스터는 전해질 내에서 에너지 생산전극의 변형을 통해 전극 표면에서 발생하는 이온의 이동을 통해 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기계적 에너지 하베스터의 한 종류이다. 이는 체내 전해질 환경에서 부식현상 없이 에너지를 생성할 수 있기 때문에 이식형 에너지 하베스터로서 적합한 새로운 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 실제 장기에 부착하여 활용하기 위해서는 다음과 같은 추가적인 특성이 요구된다. 1) 장기 움직임에 따라 변형이 가능한 낮은 모듈러스, 2) 장기의 곡면에 부착되어 활용하기 위한 우수한 변형성, 3) 장기의 다방향 팽창 움직임을 효과적으로 수용하기 위한 다방향 하베스팅. 본 고에서는 상기 세가지 특성에 맞게 설계된 미세주름 구조를 갖는 탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT) 시트를 활용하여, 낮은 모듈러스, 우수한 변형성을 갖는 다축 케모-메커니컬 에너지 하베스터에 관한 연구 및 응용 가능성에 대해서 서술하고자 한다.

키워드 탄소나노튜브 시트, 미세주름구조, 기계적 에너지 하베스팅