전자공학과 김대원 교수 연구팀 정전 기반 발전 및 압전 기반 발전 융합
기존 대비 높은 전기적 출력과 유연성, 작은 소자 크기까지 확보

전자공학과 김대원 교수 연구팀이 정전 기반 발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)와 압전 기반 발전기(Plezoelectric Nanogenerator, PENG)를 단일 혼합형 에너지 소자로 제작했다. 연구 결과는 세계적인 학술지 <Nano Energy>(IF=19.069)에 11월 온라인 게재됐다. 연구 참여자 윤종현 학생(박사 2기)은 “끝까지 연구를 마무리할 수 있도록 조언해준 교수님께 감사드린다”는 소감을 전했다. 이번 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부, 부산대학교 병원의 지원을 받았다.

압전 물질을 실리콘 고무 고분자에 삽입해 기존 한계 극복
세계적으로 에너지 고갈과 지구온난화에 대한 우려가 심화하고 있다. 연구팀은 인류가 당면한 두 문제를 해결하고자 에너지 하베스팅 기술을 연구 주제로 선정했다. 김대원 교수는 “일상생활에서 버려지는 기계적 에너지를 전기로 변환한다면, 화석 연료를 연소할 때 발생하는 온실가스 없이 친환경적으로 전기를 생산할 수 있어 동시에 문제를 해결할 수 있다”고 설명했다.

단일 혼합형 에너지 소자를 만들기 위한 다양한 시도는 기존에도 있었다. 하지만 단순히 두 개의 전기 발전기를 이어 붙이는 형태로 큰 소자 크기와 부족한 유연성이라는 한계에 봉착했다. 김대원 교수 연구팀은 하나의 소자에 두 가지 메커니즘을 적용해 진정한 의미의 단일 혼합형 에너지 소자를 구현했다. 윤종현 학생은 “실리콘 고무 고분자(폴리디메틸실록산, PDMS)를 압전 물질(BaTiO3)에 집어넣어 하나의 필름층에서 정전기와 압전 효과로 전기를 동시에 생산하도록 구현해 소자 크기를 줄였다. 또한 탄소 기반의 물질(MXene)을 추가로 삽입해 유연성을 갖추고 동시에 전기적 출력도 높였다”고 설명했다.

압전 물질에 실리콘 고무 고분자가 내부에서 뭉치지 않고 골고루 퍼져 삽입되도록 구현하는 것이 연구의 핵심이었다. 윤종현 학생은 “초기에는 탄소 기반 물질의 함량이 높아지면 압전 물질과의 시너지 효과로 전기적 출력이 증가했지만, 탄소 기반 물질 함량이 일정 수준 이상 높아지면 실리콘 고무 고분자 내부에서 고르게 퍼지지 않고 뭉치는 현상이 발생해 전기적 출력이 감소했다. 이를 해결하기 위해 실리콘 고무 고분자의 점도를 계산해 뭉침 현상이 발생하지 않는 지점을 찾았고, 전자현미경으로 내부를 관찰해 실증했다”고 밝혔다.

“에너지 하베스팅 기술로 로봇, 센서, 웨어러블 등 다양한 장비의 전력원 구현 가능해”
소자 작동원리에 대한 설명도 있었다. 김대원 교수는 “소자에 외부 물체가 수직으로 압력을 가하면 일차로 외부 물체와 접촉한 표면에서 마찰 대전으로 정전기가 유도된다. 그 후 소자가 더 눌러지면 압전 물질에서 분극 현상이 발생해 전기가 추가로 생성된다”며 “한 번의 압력을 활용해 두 가지 방식으로 전기를 생성해 단일 소자 대비 더 많은 전기를 획득할 수 있다”고 강조했다.

개발한 소자는 45N의 힘을 가했을 때 80V의 개방회로전압과 14㎂의 단락회로전류, 13.5W/㎡의 전력밀도를 보였다. 이는 가벼운 손짓으로 한 번에 129개의 LED 등을 켤 수 있는 수치다. 연구팀은 소자를 전력원으로 하는 로봇 팔 제어 및 물질 구분 시스템을 애플리케이션으로 구현했다. 김대원 교수는 “이번 사례와 같이 향후 에너지 하베스팅 기술은 로봇, 센서, 웨어러블 장비의 전력원으로 사용할 수 있다”고 설명했다.

논문을 심사한 위원들도 다양한 호평을 쏟아냈다. 툭히 실리콘 고무 고분자에 두 가지 이상의 물질을 첨가해 전기적 출력을 증대시켰다는 점에 주목했다. 윤종현 학생은 “심사 의견을 반영하고자 추가 실험을 진행하며, 다양한 방면에서 연구를 디자인하는 방법을 배웠다”고 말했다. 김대원 교수는 “전 세계 석학의 의견을 받아 보완하는 작업을 거치며 학생 역량이 상승함을 목도했다. 끝까지 연구를 마무리한 학생을 축하하며 지도교수로서 뿌듯한 마음”이라고 응원했다.

연구팀은 앞으로도 에너지 하베스팅 연구를 지속할 계획이다. 김대원 교수는 심장 박동, 몸의 떨림을 에너지 하베스팅으로 수확하는 생체 전력원 연구에 매진한다. 윤종현 학생은 저전력 장치에 에너지 하베스팅 소자가 전력원으로 활용될 수 있도록 상용화에 도전한다. 구체적으로 소자 성능을 지속 향상해 자가구동 시스템 구현이 목표다.

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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