직물 기반 인체 친화형 마찰전기 나노발전기 개발로 우산, 우의, 신발 등에 접목 가능
국제 저명 학술지 어드벤스드 에너지 머티리얼즈 논문 (IF: 25.24) 게재
[천지일보=김빛이나 기자] 박재영 광운대 교수 연구팀(전자공학과)이 멕신(MXene)·에코플렉서(Ecoflex) 복합 나노 신소재와 이를 코팅한 전도성 직물을 이용해 고출력의 인체 친화형 마찰전기 나노발전기와 웨어러블 센서 응용기술을 개발하는데 성공했다.
22일 학교 측에 따르면 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 주변 환경으로부터 버려지는 물리적·기계적 에너지를 전기 에너지로 변환해 이차전지를 대신해 친환경 전원으로 사용하기 위한 웨어러블 에너지 하베스팅 기술이 큰 관심을 받고 있다.
다양한 에너지 하베스팅 기술 중 스마트 웨어러블 기기 및 사물인터넷에 적용을 위해 인체 활동과 주변환경(작은 크기의 낮은 주파수의 움직임)에서도 높은 전압을 얻을 수 있는 섬유 혹은 직물기반의 마찰전기 나노발전기 연구가 최근 많이 이뤄지고 있으며, 특히 출력 효율이 높은 접촉-분리 모드 기반 마찰전기 나노발전기에 대한 연구가 그 중 큰 주목을 받고 있다.
박재영 교수 연구팀이 개발한 접촉-분리모드 기반 마찰전기 직물 나노발전기는 지금까지 보고된 나노발전기와 비교해 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 적용해 해결함으로써 우산, 우의, 신발 등 직물형 나노 발전기를 쉽게 부착해 일상생활 및 자연환경에서도 고출력의 전기 에너지를 생산하는 데 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 통해 검증했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF-2020R1A2C2012820)과 과학기술정보통신부(2020H1D3A1A02081280)의 지원으로 수행됐다.
연구 결과는 세계적인 에너지 연구 전문 저널인 독일 와일리 출판사(WILEY-VCH)의 어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 25.24)에 게재됐다.