공과대학 화학신소재공학부 장석태 교수, 오인혁 석박통합과정생 연구팀과 창의ICT공과대학 전자전기공학부 임성준 교수, 박의용 박사과정생 연구팀이 공동 연구를 통해 ‘한 장의 종이에 구현한 폴더블 radio frequency (RF) 에너지 하베스팅 시스템’을 개발했다. 

(왼쪽부터) 오인혁 석박통합과정생, 박의용 박사과정생, 장석태 교수, 임성준 교수

RF 에너지 하베스팅은 주변에 존재하는 RF 에너지를 수확해 전력으로 변환시키는 기술이다. 최근 각광 받는 사물인터넷, 웨어러블 소자의 주요 전력공급원으로 다뤄져 그 중요도가 높다. 

사물인터넷과 웨어러블 전자소자의 수는 기하급수적으로 증가하고 있다. 평면 공간뿐만 아니라 피부·의류와 같은 곡면 공간, 구겨지고 접히는 공간에도 적용되는 사례도 늘고 있다. 구부리거나 접힌 상태에서도 동작 가능하고, 저비용으로 제작 가능한 RF 에너지 하베스터에 대한 요구 역시 증가하는 중이다. 

연구진은 고체 왁스 프린팅 공정과 용액공정을 활용해 종이 양면에 분리된 우수한 전기전도성을 가지는 고해상도 RF 안테나 전극과 종이 단면을 따라 두 전극을 연결하는 비아-홀(via-hole) 전극 구조를 형성했다. 그 결과 복잡한 회로 구성이나 추가 공정 없이 RF 에너지 하베스팅 시스템 디자인의 자유도를 높이는 새로운 제작 방법을 발견하는 데 성공했다. 

연구진이 제작한 RF 에너지 하베스팅 시스템은 60%의 높은 RF/DC 전환 효율을 지닌다. 송신 RF 전력 50 mW, 송수신 안테나 거리 50 mm 조건에서 100초 안에 0.85 V까지 완전 충전이 가능함을 확인했다. RF 하베스터는 150도까지 접어도 안정적으로 성능을 유지했다.

RF 에너지 하베스팅 시스템 구조 및 RF 안테나, RF/DC conversion 효율, 무선 충방전 성능 측정 데이타

그동안 일반적인 종이는 높은 흡습성과 표면 거칠기로 인해 RF 장치에 사용하기 어렵다고 여겨져 왔기에 특수 가공된 종이가 제한적으로 사용돼왔다. 이번 연구는 새로운 공정을 통해 일반 종이에도 RF 장치를 구현해 냈다는 점에서 의미가 크다는 평가다. 

또한, 새롭게 적용된 방식을 활용하면, 종이 양면에 균일한 고해상도의 금속 전극 패턴 구현과 함께 수직 방향의 전극 패턴 형성이 가능하다. 종이 한 장 안에 RF 안테나, RF/DC 정류소자 및 슈퍼커패시터를 포함한 RF 에너지 하베스팅 시스템 제작이 가능하다는 것을 입증해 낸 것도 이번 연구를 통해 거둔 큰 성과다. 

연구진은 “개발된 종이 기반 폴더블 RF 에너지 하베스팅 시스템은 평면, 곡면, 모서리 등 다양한 형상의 표면에 부착 가능해 전자소자의 원거리 무선 전력공급원으로 활용할 수 있다”고 이번 연구성과를 소개했다. 

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 4단계 BK21 미래인재양성사업의 지원을 받아 수행된 것이다. 오인혁 석박통합과정생과 박의용 박사과정생이 제1저자, 장석태 교수와 임성준 교수는 교신저자로 이름을 올렸다. 

연구성과는 인용지수(Impact factor) 32.086의 재료과학 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Materials’에 3월 12일자로 온라인 게재됐으며, 저널 Back Cover 논문으로 선정됐다. 보다 상세한 연구성과 관련 내용은 ‘Foldable RF energy harvesting system based on vertically layered metal electrodes within a single sheet of paper’ 논문을 통해 확인 가능하다. 

폴더블 RF 에너지 하베스팅 시스템 모식도