탄소나노튜브로 강유전체 대체
유해성 없고 공정시간 단축 장점
배터리 없이 자가 발전 가능해
웨어러블 의료장비 등 활용 기대
한국생산기술연구원이 마찰전기 나노발전기 전력 성능을 2배 높일 수 있는 핵심 탄소 소재를 개발했다고 8일 밝혔다.
마찰전기 나노발전기는 두 물체가 접촉·분리될 때 생기는 양전하, 음전하 이동을 활용해 전기를 생산한다. 외부 충전이나 배터리 없이 자가 발전이 가능해 사물인터넷(IoT) 센서나 웨어러블 의료장비, 자가 발전 전자소자 활용이 기대된다.
양전하를 모으는 금속 전극, 음전하를 모으는 고분자 유전체 필름으로 구성되는데 높은 전압값에 비해 전류값이 상대적으로 낮아 전력이 부족했다. 전기 상태를 스스로 유지하는 '강유전체'를 나노분말 형태로 첨가하는 방법이 있는데, 이는 유해성 논란이 있었다.
생기원 기능성소재부품연구그룹의 김강민 연구원팀은 강유전체 대체물질로 탄소나노튜브에 주목했다. 독자 개발한 펄스레이저 기반 친환경 물리공정(PLA)으로 탄소나노튜브 표면을 개질, 전기 특성을 향상했다.
PLA공정은 레이저로 탄소소재 표면을 파괴해 불안정 상태를 만들고, 다양한 이종소재 결합을 유도하는 기법이다. 산 성분, 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이며 공정시간도 짧다.
다만 탄소나노튜브는 고분자 유전체와 혼합될 때 골고루 분산되지 않아 첨가제로써 사용이 제한돼 왔는데, PLA공정은 파괴된 소재 표면에 풍부한 산소작용기를 형성해 우수한 분산성을 띠게 한다.
탄소나노튜브를 균일하게 분산한 고분자 유전체 필름을 실험한 결과, 전기적 성질 척도인 '유전율'이 기존보다 약 250% 이상 향상됐으며, 이를 활용한 마찰전기 나노발전기는 전압값 170%, 전류값 243% 성능 개선을 이룬 것으로 나타났다.
김강민 연구원은 “이번 결과는 유독성, 탄소나노튜브 분산도 문제를 모두 해결한 청정소재 개발사례“라며 ”웨어러블 디바이스에 착용 가능한 자가충족 마이크로·나노시스템 개발에 힘쓸 계획“이라고 밝혔다.
한편 이번 연구 결과는 한국연구재단 개인기초연구사업 중견연구과제 지원을 받았고, 1월 신재생에너지재료 분야 권위지 '저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이' 표지논문으로 게재됐다.
해당 논문에는 생기원 김강민 연구원이 교신저자로, 이강표 박사과정이 제1저자로 참여했으며, 강석현 생기원 연구원, 민성욱 경기대 교수, 한혁수 건국대 교수가 공동연구에 참여했다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
