웨어러블 등에 사용하는 나노발전기, 성능 2배 높였다

[아이뉴스24 정종오 기자] 사물인터넷과 웨어러블 등에 사용하는 나노발전기 성능을 2배 높일 수 있는 기술이 나왔다. 표면 개질된 탄소나노튜브를 제작해 성능을 높였다.

한국생산기술연구원(원장 이낙규)이 펄스레이저 기반의 친환경 물리공정을 활용해 마찰전기 나노발전기의 전력 성능을 2배가량 높일 수 있는 핵심 탄소소재를 개발했다.

겨울철 정전기처럼 일상생활에서 쉽게 발생하는 사물 간 마찰이나 진동, 사람의 움직임에는 전기로 변환해 사용 가능한 운동에너지들이 숨어있다.

이 때 쓰이는 마찰전기 나노발전기(Triboeletric nanogenerator, TENG)는 서로 다른 두 물체가 접촉하고 분리될 때 만들어지는 양전하와 음전하들의 이동 현상을 활용해 전기를 생산하는 에너지 변환 장치다.

외부 충전이나 배터리 없이도 자가 발전이 가능하다는 장점이 있다. 사물인터넷 센서나 웨어러블 의료장비, 자가발전 전자소자 등 다양한 첨단 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다.

마찰전기 나노발전기는 크게 양전하를 모으는 ‘금속 전극’과 음전하를 모으는 ‘고분자 유전체 필름’으로 구성된다. 기존에는 마찰전기 나노발전기 성능 향상을 위해 마찰면적을 넓히거나, 고분자 유전체 필름에 특정 전기적 상태를 스스로 유지하는 물질인 ‘강유전체’를 첨가제로 혼합하는 연구를 주로 수행해왔다.

높은 전압값에 비해 전류값이 상대적으로 낮아 여러 응용 분야에 적용하기에는 전력(전류x전압)이 부족했다. 강유전체 나노분말의 경우 인체에 흡수될 수 있어 유해성 논란이 있어왔다.

생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀은 기존 강유전체의 대체물질로서 전기전도성과 기계적 특성이 모두 우수한 탄소나노튜브에 주목, 이를 독자 개발한 펄스레이저 기반의 친환경 물리공정(Pulsed laser ablation, PLA)으로 탄소나노튜브 표면을 개질해 전기적 특성을 향상하는 데 성공했다. 탄소나노튜브는 그래핀이라는 탄소원자 1층을 벽으로 한 원통형 튜브 모양의 물질이다.

PLA공정이란 레이저로 탄소소재 표면을 파괴해 불안정한 상태에서 다양한 이종소재와의 결합을 유도하는 물리적 기법이다. 강한 산이나 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이며 공정시간도 단축되는 효과가 있다.

탄소나노튜브가 균일하게 분산된 고분자 유전체 필름을 실험한 결과 물질의 전기적 성질의 척도인 ‘유전율’이 기존보다 약 250% 이상 향상됐다. 이를 활용해 제작된 마찰전기 나노발전기의 경우 전압값 170%, 전류값 243%의 성능 개선을 이뤄냈다.

김강민 박사는 “이번 연구결과는 기존 첨가체의 가장 큰 단점인 유독성과 신소재인 탄소나노튜브의 분산도 문제를 모두 해결해낸 청정소재 개발사례“라며 ”앞으로 후속 연구를 통해 웨어러블 디바이스에 착용 가능한 자가충족 마이크로·나노시스템 개발에 힘쓸 계획“이라고 말했다.

생기원 김강민 박사가 교신저자로, 이강표 박사과정이 제1저자로 참여했다. 생기원 강석현 박사, 경기대 민성욱 교수, 건국대 한혁수 교수가 공동연구를 수행했다.

연구결과는 신재생에너지재료 분야의 학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’의 표지논문으로 지난 1월 실렸다.