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화학연, 어떤 형태로 변형해도 스스로 전기를 생산할 수 있는 새로운 정전기 소재 원천기술 개발

작성자 : 편집부 2021-01-10 | 조회 : 1103

- 늘리고 굽혔을 때 스스로 전기를 출력할 수 있는 신개념 정전기 소재 개발

- 에너지 분야 권위지 ACS Energy Letters(IF 19.003) 2020년 11월호 전면 표지논문(Front Cover) 선정

한국화학연구원 이수연, 최영민 박사 연구팀은 늘리고 굽히는 등 어떤 형태로 변형해도 스스로 전기를 생산해낼 수 있는 새로운 정전기 소재를 개발했다.

자가발전은 ‘배터리를 매일 충전하지 않고도 웨어러블 전자기기를 작동할 수는 없을까?’라는 꿈을 실현할 수 있는 기술이다. 신소재 분야에서는 사람의 움직이는 동작을 전기 에너지로 변환할 수 있는 신축성 자가발전 소재들이 많은 주목을 받고 있다. 에너지 하베스팅* 소자로도 응용될 뿐만 아니라 웨어러블 전자기기, 사물인터넷(IoT) 무선 센서 등에 활용될 수 있기 때문에 전 세계적으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.

* 일상생활에서 버려지거나 소모되는 힘, 압력, 진동과 같은 에너지를 모아 전기 에너지로 변환해주는 신재생 에너지 발생 기술

화학(연) 연구그룹의 아이디어를 적용한 신축 정전기 발생 소재는 늘림과 굽힘의 물리적 형태변형 시 320V의 출력전압과

45μA의 출력전류를 발생하였고, 외부의 배터리 연결 없이 20개 이상의 LED를 각 형태변형에서 구동시켰다.

자가발전 소재에는 여러 형태가 연구되고 있는데, 특히 정전기를 이용한 연구가 전 세계적으로 활발하다. 정전기를 이용한 자가발전 소재는 보통, 대전특성*을 가진 서로 다른 두 가지 물질이 닿았다가 떨어지거나 마찰할 때 생기는 전하의 이동으로 전기를 생산한다.

* 물체가 전하를 띠는 특성. 예를 들어 털가죽은 + 전하를 띠기 쉽고, 플라스틱은 - 전하를 띠기 쉽다. 서로 다른 대전특성을 가진 두 물질이 마찰하면서 정전기가 발생한다.

구조 모식도와 실제 단면 사진

작동원리 모식도

기존 소재들은 주로 변형이 없는 형태에서 마찰만 시켜 정전기를 발생하는 방식으로 전기를 생산해 웨어러블 기기 적용에 한계가 있었다. 늘어나는 기존 소재도 많은 양의 전기를 발생시키지는 못했다.

화학연 연구팀은 늘리거나 구부려도 소재 자체의 전도성은 변하지 않고 기하학적인 구조만 변하는 새로운 전극 소재 층을 개발하고, 그 위에 대전특성이 강한 폴리우레탄폼을 표면에 코팅해 두 층을 하나의 물질로 융합하였다. 표면에 코팅한 우레탄폼은 올록볼록한 돌기로 형성해서, 늘리거나 구부릴 때 마찰 표면적을 최대화해서 정전기가 잘 발생할 수 있도록 했다.

본 소재는 형태변형이 늘림 하나만 일어났을 때보다, 늘림과 구부림을 동시에 가했을 때 5배 더 많은 전기를 생산해내는 것으로 나타났다. 신체 관절이 늘림과 굽힘이 동시에 일어난다는 것을 고려하면 웨어러블 기기로의 적용에 적합함을 기대할 수 있다.

A) 늘림 형태변형 시 60V의 출력전압이 생산되었고, 늘림과 굽힘 형태변형 시 320V의 출력전압이 발생하였다. (B) 각각의 형태변형 시 발생한 에너지의 저장속도 비교하였을 때 늘림과 굽힘 형태변형 시 더 많은 전기 에너지가 생산됨을 확인하였다.

연구팀은 어느 정도로 늘리거나 굽혔을 때 얼마나 많은 양의 전기를 출력해내는지에 대한 최댓값도 산출했다. 연구결과는 에너지 분야 권위지 “ACS Energy Letters” 2020년 11월호 전면 표지논문*으로 게재되었다.

* ACS Energy Letters: 미국에서 발간하는 에너지 분야에서 권위 있는 학술지(2019년도 피인용지수 : 19.003) / 논문 제목: High-Performance Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator Based on Hierarchical Auxetic Structure

ACS Energy Letters 誌 2020년 11월호의 전면 표지논문으로 게재(2020. 11. 13.)

(논문 링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01909)

개발된 신소재는 4차 산업혁명 시대에 필수적인 스마트 워치, 헬스케어 밴드 등 웨어러블 기기뿐만 아니라 사물인터넷(IoT)의 자가발전 센서 등에 핵심 소재로 활용될 수 있다.

정전기 소재에서 나온 전기를 에너지 저장 장치인 슈퍼커패시터 또는 배터리에 저장하면, 자주 충전하지 않아도 웨어러블 기기를 오래 쓸 수 있다. 연구팀은 이러한 활용성을 염두에 두고 고효율 슈퍼커패시터 소재 개발, 에너지 발생과 저장이 통합된 모듈 개발 등의 후속 연구를 진행하고 있다.

화학연 이수연 박사는 “이번에 개발한 고출력 에너지 발전 소재는 마찰대전 특성이 큰 고분자 소재를 다양한 형태변형이 가능할 수 있도록 새롭게 디자인하여, 기존 소재의 한계를 극복하고 고출력 에너지 하베스팅 분야에 활용할 수 있다는 데 큰 의미가 있다. 관련 기술은 한국·미국·유럽·중국에 특허권리를 확보하거나 확보 중이며, 4차 산업혁명에 필수적인 자가발전 소재로 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.