한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹의 김강민 연구팀이 외부 충전이나 배터리 없이 자가 발전이 가능한 마찰전기 나노발전기의 전력 성능을 2배 높일 수 있는 핵심 탄소 소재를 개발했다.
마찰전기 나노발전기는 두 물체가 접촉·분리될 때 생기는 양전하와 음전하 이동을 활용해 전기를 생산하는 만큼 사물인터넷(IoT) 센서나 웨어러블 의료장비, 자가 발전 전자소자 등에 활용되고 있다.
나노발전기는 양전하를 모으는 금속 전극과 음전하를 모으는 고분자 유전체 필름으로 구성된다.
다만 높은 전압값에 비해 전류값이 상대적으로 낮아 전력이 부족한 만큼 전기 상태를 스스로 유지하는 ‘강유전체’를 나노분말 형태로 첨가하는데 유해성 문제가 있다.
연구팀은 강유전체 대체물질로 탄소나노튜브에 주목했다.
독자 개발한 펄스레이저 기반 친환경 물리공정(PLA)으로 탄소나노튜브 표면을 개질, 전기 특성을 향상했다.
산 성분, 화학물질을 사용하지 않아 친환경적인 PLA공정은 레이저로 탄소소재 표면을 파괴해 불안정 상태를 만들고, 다양한 이종소재 결합을 유도하는 기법이다.
그동안 탄소나노튜브는 고분자 유전체와 혼합될 때 골고루 분산되지 않아 첨가제로써 사용이 제한돼 왔다.
이번 PLA공정은 파괴된 소재 표면에 풍부한 산소작용기를 형성해 우수한 분산성을 띠게 됐다.
실험 결과 전기적 성질 척도인 ‘유전율’이 기존보다 약 250% 이상 향상됐다.
이를 활용한 마찰전기 나노발전기는 전압값 170%, 전류값 243%의 성능 개선을 나타냈다.
이번 성과는 유독성, 탄소나노튜브 분산도 문제를 모두 해결한 청정소재의 개발사례로 꼽히고 있으며 웨어러블 디바이스에 착용 가능한 자가충족 마이크로·나노시스템 개발에 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이번 연구 결과는 신재생에너지재료 분야 권위지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(jounal of materils chemistry A)’ 표지논문으로 지난 1월 게재됐다.
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