비오는 날 우산 통해 전력 생산 가능한 웨어러블 나노발전기 개발”
- 직물 기반 인체 친화형 마찰전기 나노발전기 개발로 우산, 우의, 신발 등에 접목 가능 -
- 국제 저명 학술지 어드벤스드 에너지 머티리얼즈 논문 (IF: 25.24) 게재 -
<박재영 교수(좌)와 살라우딘(Md. Salauddin) 박사(우)>
본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)이 멕신(MXene)/에코플렉서(Ecoflex) 복합 나노 신소재와 이를 코팅한 전도성 직물을 이용하여 고출력의 인체 친화형 마찰전기 나노발전기와 웨어러블 센서 응용기술을 개발하는데 성공했다.
?기존의 나노발전기와 달리 제작된 디바이스는 우수한 신축성, 유연성, 방수 기능을 가지고 있으며 손목, 팔꿈치, 무릎 등에 착용이 가능하고 비, 바람 등의 주변 자연환경으로부터 고출력의 전기에너지를 수확할 수 있기 때문에 다양한 휴대 및 웨어러블 기기, 산업에 친환경 전원기술과 센서기술로 폭 넓게 활용될 수 있을 것이라 기대된다.
최근 시장에 출시되고 있는 다양한 센서, 웨어러블 장치, 사물 인터넷(IoT) 신제품들의 소모 전력이 낮아짐에 따라서 인체의 활동과 주변환경으로부터 버려지는 물리적/기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 이차전지를 대신하여 친환경 전원으로 사용하기 위한 웨어러블 에너지 하베스팅 기술이 큰 관심을 받고 있다.
?다양한 에너지 하베스팅 기술 중 스마트 웨어러블 기기 및 사물인터넷에 적용을 위하여 인체 활동과 주변환경(작은 크기의 낮은 주파수의 움직임)에서도 높은 전압을 얻을 수 있는 섬유 혹은 직물기반의 마찰전기 나노발전기 연구가 최근 많이 이루어지고 있으며, 특히 출력 효율이 높은 접촉-분리 모드 기반 마찰전기 나노발전기에 대한 연구가 그 중 큰 주목을 받고 있다.
<에코플렉스-멕신 나노복합소재를 이용한 고출력 나노발전기 및 휴대/웨어러블 센서 응용기술>
<용어참고>
1. 나노발전기: 나노크기(머리카락 굵기 10만분의 1) 물질을 이용해 인체의 작은 움직임과 같은 일상에서 발생하는 기계/진동에너지를 전기에너지로 변환하는 첨단기술
2. 멕신(MXene): 탄소와 티타늄 등 중금속원자를 이용해 제조한 얇은 판 모양의 2차원 신소재로 그 특성이 우수하여 다양한 산업에 적용하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있음
3. 에코플렉서(Ecoflex): 뛰어난 유연성과 탄성력을 갖는 실리콘 소재
4. 마찰전기 발전기: 두 물체가 접촉 혹은 마찰시 발생하는 대전 현상을 이용하여 역학적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 작은 규모의 전력발생 장치
5. 마찰전기 발전방법: 나노발전기 발전방법은 크게 4가지로 분류할 수 있으며, 수직 접촉-분리 모드 (Vertical contact-separation mode)는 전극 2개와 상하 왕복운동을 통한 물질간의 거리 변화를 이용하여 발전을 하는 방식, 수평 미끄럼 모드 (Lateral sliding mode)는 수평 방향 왕복운동으로 인해 접촉 면적이 변화하는 것을 이용하여 발전을 하는 방식, 단일-전극 모드(Single-electrode mode)는 수직 접촉-분리 모드와 유사한 형태로 전극과 한쪽 전극을 접지시켜 발전하는 방식, 무지주 마찰전기 층 모드(Freestanding triboelectric-layer mode)는 하단의 전극을 고정시키고 상단의 마찰 대전 물질 층을 이동시켜 발전을 하는 방식이다.
박재영 교수 연구팀이 개발한 접촉-분리모드 기반 마찰전기 직물 나노발전기는 지금까지 보고된 나노발전기와 비교하여 출력이 매우 높고, 유연성과 신축성, 그리고 기계적 안전성이 매우 뛰어나 다양한 휴대/웨어러블 기기와 사물인터넷의 친환경 전원 기술로 활용될 수 있다. 지금까지 주로 사용되던 마찰전기 나노발전기는 물과 습기에 취약해 다양한 활용에 제한이 많았으나, 본 연구팀은 이러한 문제점을 필름 패키징 기술을 적용하여 해결함으로써 우산, 우의, 신발 등 직물형 나노 발전기를 쉽게 부착하여 일상 생활 및 자연환경에서도 고출력의 전기 에너지를 생산하는데 성공했다.
제작된 나노 복합소재 기반 나노발전기는 에코플렉스 소재만으로 제작된 디바이스 보다 10배 높은 전압과 6배 높은 전류를 출력을 나타냈고, 4.5 Hz 의 주파수와 8 N 의 힘의 세기 조건 및 4.5 MΩ 의 부하저항에서 3.69 mW 의 높은 전력과 9.24 W/m2 의 높은 효율의 전력을 생산 할 수 있음을 실험을 통하여 검증하였다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF-2020R1A2C2012820)과 과학기술정보통신부(2020H1D3A1A02081280)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계적인 에너지 연구 전문 저널인 독일 와일리 출판사(WILEY-VCH)의 어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 25.24)에 게재되었다.
Web link: https://doi.org/10.1002/aenm.202002832
