전북대학교 김태욱 교수(유연인쇄전자전문대학원, JBNU-KIST 산학연융합학과) 연구팀이 일상생활 속 정전기를 전기에너지로 바꾸는 ‘마찰전기 기반 나노 발전기(Triboelectric Nanogenerator)’의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.
이에 따르면 김 교수팀은 부산대학교 이승기 교수(재료공학부) 연구팀과 함께 ‘구리 나노시트 필름(Cu Nanosheet Film)’의 다공성 구조를 활용해 발전 효율을 극대화하는 혁신적인 소자 구조를 개발했다.
이 연구는 김대홍 박사과정생(유연인쇄전자전문대학원)이 제1저자로 참여했으며, 재료과학 분야 세계적 권위지 『Advanced Materials』(IF=26.8, JCR 상위 2.3%) 최신호에 게재됐다. 나노소재를 에너지 수확 장치에 응용하는 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 의미를 지닌다.
김태욱 교수팀이 개발한 단결정 구리 나노시트는 가로·세로비가 매우 높은 2차원 구조로, 필름 형태로 제작하면 내부의 약 66%가 빈 공간으로 구성된 계층적 다공성 구조(hierarchical porous structure)를 형성한다. 연구팀은 이 빈 공간에 실리콘계 고분자인 PDMS(Polydimethylsiloxane) 용액을 코팅해 필름 내부의 미세 공극(voids)을 채우도록 함으로써 전극과 유전체의 접촉면적을 획기적으로 확장시켰다.
이 독특한 구조를 마찰전기 나노발전기에 적용한 결과, 구리 나노시트 전극과 PDMS 유전체가 결합된 전극?유전체?전극 구조가 유전체 내부의 미세 커패시터로 작용하면서 정전용량을 크게 향상시켰다.
그 결과, 기존 구리 박막 기반 발전기 대비 약 590% 높은 전력 밀도를 달성했으며, 100,000회 이상의 반복 작동에도 출력 저하가 전혀 없는 뛰어난 내구성을 보였다. 이는 현재까지 보고된 유사 연구 중 가장 우수한 안정성으로 평가된다.
또한 5,000회 이상의 반복 동작 후에도 30dB 이상의 전자파 차폐(EMI SE) 성능을 유지했고, 5V의 낮은 전압에서도 59.4℃까지 도달하는 고효율 발열 특성을 구현했다. 즉, 단일 구조 내에서 에너지 수확, 전자파 차폐, 유연 발열 기능을 동시에 수행할 수 있는 다기능 자가발전 플랫폼으로 발전시킨 것이다.
김태욱 교수는 “이번 연구는 단일 재료 조합과 간단한 용액 공정만으로 고성능·다기능 자가발전 소자를 구현한 최초의 사례”라며 “웨어러블 전자기기, 자가 구동형 센서, 유연 발열 모듈, 전자파 차폐 등 다양한 응용으로 확장될 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 전북대학교 김태욱 교수(교신저자), 부산대학교 이승기 교수(교신저자), 한국과학기술연구원(KIST) 배수강 박사, 대구경북과학기술원(DGIST) 이주혁 교수 연구팀이 공동으로 참여했다.
/장은성 기자
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