[POSTECH · 울산대 · 광운대, 불소 탄성체 기반 고효율 마찰 전기 나노 발전기 개발]

화학공학과 조길원 교수, 이시영 박사 연구팀이 울산대 나노에너지화학과 이승구 교수, 광운대 화학공학과 이기원 교수(POSTECH 화학공학과 동문) 연구팀과의 공동 연구를 통해 불소 탄성체를 사용한 도미노 구조로 고효율 ‘마찰 전기 나노 발전기(Triboelectric nanogenerator, 이하 TENG)’를 개발하는 데 성공했다.

마찰 전기(Triboelectricity)는 두 물체가 접촉하고 분리될 때 전자가 이동하면서 발생하는 전기 현상으로 이를 기반으로 한 TENG는 사람의 움직임, 바람, 진동 등 일상생활 속 다양한 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 특히, 발전 소자의 크기가 아주 작고, 유연한 소재로 제작이 가능해 전자 피부와 헬스케어, 환경 모니터링 등 분야에서 차세대 휴대용 전원으로 주목받고 있으나, 에너지 변환 효율과 접촉 면적, 변형성 등에서 여전히 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘도미노’의 원리에 주목했다. 도미노가 작은 힘으로도 쓰러지는 것처럼, 연구팀은 외부에서 가해지는 미세한 힘이나 압력에 의해 쉽게 변형가능한 마이크로(micro) 규모의 도미노 구조를 TENG에 접목하였다.

또, 연구팀은 실리콘 탄성체와 불소가 포함된 고분자 탄성체를 혼합하여 TENG 소자를 제작했다. 이 소자는 물에 닿았을 때 물방울이 표면에 달라붙지 않고 도미노 구조를 따라 쉽게 굴러가기 때문에 하나의 물방울로도 효율적으로 전기를 생산할 수 있다. 그뿐 아니라, 오염 물질도 표면에 잘 붙지 않아 깨끗한 상태를 오랫동안 유지할 수 있는 자가 세정 특성이 있다.

연구팀은 이러한 기술을 바탕으로 바람과 빗방울로부터 전기를 만들어 낼 수 있는 ‘인공 나뭇잎’과, 손목 흔들기와 손 씻기 등의 간단한 동작으로 전기를 생산하는 웨어러블 ‘손목 밴드’를 제작하는 데 성공했다. 특히, 제작된 TENG는 최대 약 1,300V의 높은 전압 혹은 최대 9.8 W/m2의 출력 밀도로 마찰 전기를 생성하며, 뛰어난 에너지 변환 효율을 보였다.

조길원 교수는 “연구팀이 만든 TENG는 물이나 바람을 활용해 높은 효율로 전기를 생산할 수 있어, 비바람이 잦은 지역에서 태양 전지를 대체할 수 있는 가능성이 크다”라며, “이 기술을 웨어러블 기기에 적용하면 충전이 필요 없는 웨어러블 전자 기기의 시대를 열 수 있을 것”이라는 기대를 전했다.

이번 연구는 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판 앞표지(front cover) 논문으로 최근 게재되었다. 한편, 이 연구는 과학기술 정보통신부, 교육부, 광운대학교 교내연구과제 등의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202316288