전기에너지와 소리(진동)에너지를 변환할 때는 압전트랜스듀서를 이용할 수 있다. 압전재료는 가해지는 힘 방향으로 전압이 생성되는데, 예를 들어 압전재료로 주로 쓰이는 PZT(Lead zirconate titanate)의 경우, 힘이 가해지면 결정내에 위치한 Ti⁴⁺ 또는 Zr⁴⁺ (보라색)가 한쪽방향으로 쏠려 극성을 띄게 되고, 이로부터 전기에너지가 생성된다 (Figure 2 참조). 반대로 압전재료에 전압이 가해지면, 압전재료의 전압방향으로 팽창이 일어나고, 이 진동으로 소리에너지를 생성한다. 이렇게 생성된 소리(진동)에너지는 매질을 타고 퍼지게 되고, 수신부에 위치한 진동체가 소리에너지를 받아들일 수 있다.

수신부에서는 송신부와 반대로 에너지 변환이 발생하는데, 수신부 압전체에 대해서는 조금 더 면밀히 살펴볼 필요가 있다. 기본적으로 압전체는 소리(진동)에너지를 받아 공진을 일으켜 진동을 극대화시킴으로써 전기에너지 변환효율을 높이는 원리이기 때문에 들어오는 소리에너지의 진동수에 수신부가 공진이되도록 구조적 설계가 이루어져야 된다.

주목할 점은 압전체로 생성할 수 있는 전압의 세기는 압전체 크기(부피)가 아니라 두께에만 비례한다는 것이다. 그렇기에 큰 지름을 가져야 효과적인 에너지 전송이 가능한 전자기유도방식과는 다르게, 압전체는 작은크기로도 충분한 전압을 생성할 수 있다. 그리고 압전체 수신부가 소리(진동)에너지를 받아 공진함으로서 전력을 생산함에 있어서도 음파는 유리하다. 전자기장에 비해 소리는 전달 속도가 현저히 느리기 때문에 (물속에서는 초당 약 1500m), 1MHz 음파의 경우 한 파장의 길이가 1.5mm에 불과하다. 그렇기 때문에 파장에 맞춰 공진할 수 있도록 구조를 설계해야하는 압전수신부의 크기를 작게 고안할 수 있다는 것도, APT의 강점이다.

이렇게 수신부에서 소리에너지를 보내면 반대편의 수신부에서 이를 받아 전력으로 다시 변환과정을 거치는 무선전송 개념은 1980년대 Cochran이 처음 제안했다.^6,7) 그리고 2000년대 들어 Kawanabe와 Suzuki가 위 방식으로 전력과 신호를 생체삽입 의료기기에 무선전력충전이 가능함을 선보였다.^8,9) 이들은 공통적으로 30 mm 거리에서 1MHz 주파수로 최대 20퍼센트의 효율로 에너지전송이 가능함을 보였다 (Figure 3 참고).

생체삽입형 센서에 전력을 전송하는 APT외에도, APT방식으로는 벽을 통과해서 에너지 전송 또는 데이터 송수신도 가능한데, 이와 관련된 보고는 1997년 Connor가 낸 특허가 최초로 제시된다. 이는 두개의 압전 트랜스듀서가 벽을 마주보고 부착되어 있을때, 송신부 압전 트랜스듀서가 진동을 하게 되면 수신부 압전 트랜스듀서가 소리(진동)에너지를 받아 압전효과로 전력을 생산하는 방식이다.¹⁰⁾ 21세기에 들어서는 지금까지도 사용하는 체계적이고 상세한 모델 해석이 진행되었으며, 이론상으로는 70퍼센트까지 효율이 도달할 수 있다는 것을 보였고, 실제로도 100 W의 전력을 50퍼센트 이상 전환하는 효율을 달성하였다.^11–13) 이러한 기술은 개발을 거듭해, 수년 뒤에는 87퍼센트나 되는 높은 효율로 1kW가량의 전력을 금속벽을 투과해 전송했다.¹⁴⁾

한편 압전재료에 주로 함유되어 있는 납은 인체에 해롭기 때문에, APT로 신체 내부로 에너지를 보내고자 할 때는 압전체 수신부는 생체내부에서도 효과적으로 작동하면서 동시에 생체안정성을 지니도록 고안해야한다. 2010년도에 들어 젤로 둘러싸고 강도가 높지않아 잘 변형되어 몸속에서도 안정적인 삽입형기기가 제안되었으며, 실제로 십분 내외로 배터리를 충전하는 실증 실험을 보였다.¹⁵⁾ 그리고 초음파에너지전송과, 전자기유도방식의 두가지 무선전력송신 방식의 성능을 비교계산하는 연구에 따르면 초음파에너지전송방식은 거리가 멀수록, 송수신부의 크기가 작을 때 전자기유도방식에 비해 효율이 높았다.¹⁶⁾ 이는 APT가 전자기유도에 비해 인체에 무해하다는 장점 외에도, 에너지 전송 효율 측면에서도 크기가 작고 신체 깊숙한 곳에 위치한 생체삽입센서에 전력을 전송할 때 강점이 있음을 시사한다.

물론 APT의 단점도 존재한다. 초음파가 통과하는 매질의 임피던스(저항)차이에 따라 쉽게 반사가 될 수 있다. 재료별로 지닌 고유 음향 임피던스값이 다를 경우, 경계선에서 초음파가 통과하지 못하고 반사될 수 있는데, 특히 공기와 피부처럼 그 값 차이가 클 경우 대부분의 초음파가 물속으로 들어가지 못하고 반사되기에 실제로 초음파 영상을 촬영할 때에는 초음파 트랜스듀서 앞에 젤을 발라 임피던스 차이를 줄여준다. 이런 임피던스 차이를 이용해서 초음파 이미징에서는 내부 혈관, 뼈, 장기를 다른 조직과 비교해서 볼 수 있지만, 초음파 에너지 전송에서는 유의해야한다.

압전체를 이용한 소리(진동)에너지 전송기술 개발은 현재 여러 분야에서 활발히 수행 중이다. 특히, 가장 많이 주목을 받는 분야는 생체삽입 센서의 충전인데, 내부 이미징과 에너지 전송, 그리고 데이터 통신을 접목한 연구가 활발하다. 초음파는 주파수에 따라 의료용 치료 및 가열 (20 kHz ~ 1 MHz) 그리고 의료 영상 촬영용 (1 MHz 이상)으로 다양하게 사용된다. 또한 음파의 간섭현상을 이용하여 특정 부위에 매우 고강도로 음파를 집중시킬 수 있다. 이중에서 MHz 주파수대의 초음파 트랜스듀서를 이용하면 하나의 초음파기기로 내부 이미징과 에너지전송이 모두 가능하다는 장점이 있다. 2015년 퍼듀대학교에서는 1 ~ 2 MHz 영역대의 초음파 트랜스듀서를 이용해서 20 cm 거리에 떨어져있는 압전 수신부에 소리에너지를 전송했고, 약 1퍼센트 효율로 수확이 가능함을 보였었다.¹⁷⁾ 그리고 같은 해, 인체삽입형 센서의 데이터를 외부로 내보냄으로써, 양방향으로 데이터를 주고 받을 수 있는 시스템구현도 선보였다.¹⁸⁾ 이로써 소리에너지를 이용한 무선충전뿐만 아니라, 센서에서 감지한 데이터를 신체 외부의 기기로 전송함으로써, 우리 몸의 생리 활동에 대해 실시간으로 정확한 모니터링 및 혈당과 혈압 측정이 가능해졌다. 즉, 더 이상 현재의 불편하면서도 주기적으로 혈당과 혈압을 측정하는 방식을 대체할 수 있는 길이 제시된 것이다.

생체삽입형 전자기기의 소형화가 힘든 이유 중 하나는 바로 배터리의 소형화가 힘들다는 것이다. 만약 초음파를 이용해 외부에서 무선전력전송을 하게 되면 배터리부피를 줄일 수 있기 때문에, 장치의 소형화가 가능하고, 이를 효과적으로 보여준 장치가 바로 Figure 4에서의 neural dust라고 불리는 밀리미터 크기의 칩이다.¹⁹⁾ 척수 또는 뇌에서 불규칙적으로 신경이 자극되어 통증을 느끼던 환자의 통증을 완화 용도로 개발된 신경자극장치(neural stimulator)에서 부피가 큰 배터리를 제외하고 필수적인 장치만 소형화시켜 만든 neural dust는 작은 크기와 생체적합성을 강점으로 실제로 임상에 활용이 되고있으며 코골이, 수면 무호흡증, 하반신 마비환자의 방광조절, 간질 치료에 효과적임을 보였다.²⁰⁾ 최근에는 이 neural dust에 추가적인 성능을 더한 stim dust가 소개되었으며, 크기도 1.7 mm³ 까지 소형화 되었다.²¹⁾

앞서 기술한 압전원리를 이용한 APT 외에, 최근에는 마찰전기(Triboelectricity)를 이용한 APT가 부상하고 있다. 먼저 마찰전기에 대해 기술하자면 마찰전기는 약 기원전 600년경의 고대 그리스에서 호박(Amber)을 헝겊으로 닦으면 주변의 먼지가 달라붙는 것을 탈레스가 발견한 시점까지 거슬러 올라간다. 이후로 연구가 진행되어 이것이 마찰에 의한 대전 현상이라는 것이 밝혀졌다. 그 이후 17세기 독일의 과학자 오토 폰 게리케 (Otto von Guericke)에 의해 정전기 발생장치가 만들어지고, 독일의 에발트 게오르그 폰 클라이스트 (Ewald Jurgens von Kleist)와 네덜란드의 피에터 반 뮈스헨브룩 (Pieter van Musschenbroek)이 전기를 보관할 수 있는 ‘라이덴병 (Leyden jar)’을 제작하면서 인류는 정전기 (Static electricity)를 활용할 수 있게 되었다. 마찰전기 (Triboelectricity)는 서로 다른 두 물질의 마찰에 의해 각기 다른 전하도 대전되는 고압의 정전기로, Fig. 5의 대전열표(Triboelectric series)로 그 경향성이 잘 알려져 있다.^22,23) 고압의 마찰전기는 가스 폭발과 같은 사고의 원인이 되기도 하지만, 복사기나 먼지 흡착용 필터 등에서 유용하게 사용하기도 한다. 그리고 2012년 조지아 공과대학(Georgia Tech.)의 Zhong Lin Wang 연구그룹에서 마찰 전기 현상을 에너지 전환 기술로 사용할 수 있는 가능성을 보고한 후로, 소자 제작이 매우 간단하며, 저렴하게 제작할 수 있다는 장점에 힘입어 에너지 하베스팅 용도로 압전시스템과 더불어 매우 활발하게 연구되고 있다.²⁴⁾ 또한 산업 전반에 사용되는 다양한 소재들을 특별한 변형 없이 바로 사용이 가능하며, 기계적인 진동이 있는 모든 곳에 사용할 수 있다. 마찰전기 현상을 이용하면 두 물질 사이의 표면에 대전된 전하가 전기적 위치에너지 (Electrical potential)를 발생시키며, 이를 상쇄하기 위하여 가까운 전극에 표면에 대전된 것과 반대의 전하가 유도되는 가리움 효과(Screening effect)에 의해 기계적인 진동 에너지가 전기 에너지로 전환된다. 일반적으로 유전율이 큰 물질을 사용하면 마찰전기의 에너지 전환 효율을 증가시킬 수 있으며, 높은 유전율을 위하여 주로 강유전체 세라믹 재료들을 활용하는 방법들이 연구되고 있다. 본 고에서는 마찰전기의 기본 원리와 마찰전기에서 강유전체 활용과 무선 에너지 송신 기술에 대해서 기술하고자 한다.

마찰전기가 발생되는 원인으로는 전자친화도(Electric affinity)와 표면전위(Surface potential)의 영향을 받는 것으로 알려져 있다.²⁵⁾ 전자친화도는 원자나 분자가 전자를 하나 얻을 때 방출하는 에너지를 말하며, 전자친화도가 클수록 전자를 얻기 쉽다. 주기율표에서 18족의 비활성 기체 (Noble gas)를 제외하고 우측 및 위로 갈수록 그 경향성이 크다. 가장 흔히 사용되는 마찰전기 대전 소재인 테플론(Teflon)은 탄소(Carbon)와 불소(Fluorine)로 이루어진 합성수지로, 불소의 높은 전자친화도로 인하여 음성으로 대전되는 경향이 매우 큰 물질이다. 그리고 표면 전위는 마찰대전이 일어나는 물질의 표면의 전위를 나타내는 지표로, 물질의 구성 원소와 결합 형태 등에 영향을 받는다. 접촉 물질간의 표면 전위 차이로 인해 물질 간 전하가 이동하기때문에, 그 차이가 클수록 더 많은 전하가 이동한다. 알루미늄(Aluminum)은 표면 전위가 매우 큰 물질로, 양성으로 대전되는 경향이 매우 크다.

전자친화도와 표면 전위는 마찰전기 물질의 표면 물성(surface property)과 관련된 것으로, 표면 플라즈마 처리, UVO(Ultraviolet-ozone) 등의 처리를 통하여 표면의 구조나 구성 원소를 바꾸어 주거나, 물질 표면에 스퍼터링(Sputtering)이나 ALD(Atomic layer deposition) 등의 증착 방법을 사용하여 부피물성(bulk property)을 유지하면서 표면 특성만 바꾸는 연구들도 진행되고 있다.^26–28)

강유전체(ferroelectrics)는 외부의 전기장이 없어도 자발 분극 (Spontaneous polarization)을 가지는 물질로, 외부의 전기장에 의해 분극 방향이 변하는 재료를 뜻한다. 페로브스카이트 (Perovskite)는 가장 많이 활용되는 강유전성을 가진 물질로, 높은 유전율을 가지기 때문에 마찰전기 대전층에 파우더 형태로 섞어서 사용하거나, 얇은 층을 삽입하여 더 많은 마찰전기가 발생하도록 할 수 있다.²⁹⁾ 마찰전기 대전층에 약 100 nm 크기의 입방정계 (Cubic) 형태와 200 nm 크기의 정방정계(Tetragonal) 형태의 2가지 BTO NPs(Barium Titanate nanoparticles)를 사용한 경우, PDMS의 상대유전율(Relative permittivity)은 약 2.3으로 작지만 BTO NPs를 섞어주면 약 30 wt%에서 3.5 이상으로 증가시킬 수 있었으며, 동일한 기계적 진동 조건에서 BTO NPs를 섞지 않은 물질에 비해서 최대 5배까지 성능이 향상되는 것을 보였다.³⁰⁾

강유전체는 전기장을 이용하여 한쪽 방향으로 자발 분극을 정렬할 수 있으며, 이를 통해 주변의 물질에 전기장을 제공하는 층으로도 사용할 수 있다. Fig. 6은 강유전체의 잔류분극(Remnant polarization)을 이용하여 마찰전기 대전층의 표면 전위를 변화시켜 대전 성능을 향상시킨 연구이다.³¹⁾ Fig. 6는 분극이 정렬된 28 μm 두께의 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 필름 위에 마찰전기 대전층으로 사용하는 PDMS층을 스핀 코팅하여 제작했다. PDMS의 두께는 약 11 μm 두께에서 최고 성능을 보여주었으며, PVDF가 없는 경우와 비교하여 약 35배 정도의 출력이 향상되었다. 여기서 PDMS의 표면 전위를 측정하기 위하여 Kelvin probe force microscopy (KPFM)를 사용했는데, KPFM은 금속 팁과 시료 간의 접촉전위차 (CPD; Contact potential difference)를 측정 후 금속 팁의 일함수(Work function)를 이용하여 표면 전위를 계산할 수 있다. PDMS의 접촉전위차인 2.7 V와 비교하여 up 방향의 PVDF를 사용한 경우 5.7 V, down 방향인 경우 −2.6 V로 변화시킬 수 있었다. PDMS와 접촉하는 전극으로 사용된 ITO(Indium tin oxide)의 표면 전위인 0.67 V와 비교하여 분극이 정렬된 PVDF를 사용한 경우 그 차이를 매우 크게 증가시킬 수 있음을 보였다.

최근 전자기기의 배터리를 충전하기 위하여 무선 전력 송신의 사용이 증가하고 있으며, 특히, 인체 내부에 설치되어 있는 인공 심박동기 페이스메이커(Artificial cardiac pacemaker)와 같이 쉽게 접근할 수 없는 위치에 전력을 공급해야 하는 사례가 늘고 있다. 인위적으로 기계적 진동을 발생시키는 방법으로 진동 기반 에너지 전환 장치를 사용해 무선 에너지수송에 활용해온 압전체는 기계적인 공진 주파수 이외에서 매우 큰 성능 하락이 있다는 단점이 있다. 반면에 마찰전기는 단순히 접촉과 분리만 발생하면 되므로 구조적인 제약에서 자유로운 장점을 가진다.

특히, 성균관대학교 김상우 교수 연구팀이 수행한 매우 얇은 PFA 막(Perfluoroalkoxy membrane)을 사용하여 20 kHz 초음파 환경에서 작동이 가능한 마찰전기기반의 무선에너지전송기술 연구가 주목할만하다.³²⁾ 이 연구에서는 PCB 기판 위에 전극으로 사용할 구리전극을 증착하고, 전극이 초음파에 의해 진동할 수 있는 공간을 확보하기 위하여 받침대를 외곽에 설치하였다. 그 후 PFA 막을 마찰전기 대전층으로 사용하고, 물속이나 몸속에서 사용할 수 있도록 방수처리를 해주었다. 초음파 에너지 수송을 확인하기 위하여 물과 돼지고기를 이용하여 실험을 진행하였으며, 4.7 mF 용량의 축전기와 0.7 mAh용량의 배터리를 충전할 수 있음을 시연하였다.

그리고 미세전자기계시스템 (MEMS; Microelectro-mechanical systems) 기술을 활용하여 제작한 초소형 마찰전기 에너지 수송 시스템 또한 발표되었다(Figure 7참고).³³⁾ 실리콘을 이용하여 미세구조를 제작하고 금을 이용한 전극을 사용하였으며, 이를 규칙적으로 배치한 구조로 제작해 1 MHz에서 공진을 가지도록 제작한 구조물은 약 1 MHz의 초음파 발생기를 이용하여 에너지 수송에 적용하였으며. 최근에는 차세대 2차원 물질인 Transition-metal carbides, carbonitrides, and nitrides (Mxenes)을 기반으로 한 하이드로젤을 이용해 초음파에너지를 수확하는 연구도 보고되는 등, 마찰전기원리로 소리(진동)에너지를 수확하려는 연구는 현재 매우 활발하게 연구 중이다.³⁴⁾

강유전체 세라믹을 사용한 마찰전기 무선에너지전송 시스템 또한 높은 에너지 전송 효율을 보여준다. Fig. 8은 최근 한국과학기술연구원에서 개발한 PMN-PT 단결정과 PTFE를 사용한 마찰전기 기반의 초음파 에너지 수송장치이다. 기존의 무선 에너지 송신 기술들은 1 cm 이내의 매우 짧은 거리에서만 에너지 수송이 가능했으나, 큰 잔류분극을 가지는 <111> 방향으로 성장된 PMN-PT 단결정을 사용하여 약 6 cm의 거리에서도 접촉하여 에너지를 수송한 경우와 비교해 50% 이상의 효율을 보여주었다. 또한 6cm의 거리에서 수송된 에너지를 이용해 200개 이상의 LED (Light-emitting diode)를 밝은 실내에서도 확인할 수 있을 정도로 밝게 구동이 가능하였다. 6 cm 깊이의 물속에 있는 블루투스 센서를 에너지전송으로 실시간 구동할 수 있음을 성공적으로 시연하였다.