광운대 박재영교수팀, 나노복합소재 기반 고출력 나노발전기 개발

[베리타스알파=정우식 기자] 광운대는 박재영교수 연구팀이 레이저탄화 멕신(MXene)/ZiF-67, 나노다공성산화코발트(NPCO)/실리콘(Silicone), 멕신(MXene)/실리콘(Silicone) 나노복합소재를 개발했고, 이들 소재를 이용해 초고출력의 웨어러블 접촉/비접촉 마찰전기 나노발전기와 무전원 촉각/압력센서를 개발하는데 성공했다고 7일 밝혔다.

현재 주요 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료나 핵연료는 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있기 때문에, 자연이나 우리의 일상생활에서 버려지는 진동, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술에 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 인체의 움직임, 바람, 진동 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 메타버스, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기 및 산업분야에 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로써 활용이 기대되는 유망기술이다.

본 연구팀은 나노다공성 산화코발트(NPCO)와 실리콘 소재를 합성해 전기음성도와 전자 친화도가 매우 높은 나노복합소재를 새롭게 개발했다. 신축성 있는 전도성 원단(Conductive stretchable Fabric)에 멕신/실리콘 나노복합소재와 적층해 이중 층 구조로 마찰전기 나노발전기를 설계 및 제작함으로써 고출력의 전기를 생산하는데 성공했다. 단일 층 구조를 갖는 기존 나노발전기 보다 15배 가량 높은 전력밀도를 나타냈다. 멕신/실리콘 나노복합소재는 전하 트래핑(Charge Trapping)과 전하수송(Charge Transport) 층으로 활용됐다.

전하 트래핑 층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고 전하 트랩에 잔류 전하를 트래핑해 전하 유지를 증가시킴으로써 나노발전기의 출력을 크게 향상시킨다. 또한 멕신/실리콘 나노복합소재 위에 멕신/ZiF-67 복합소재를 증착시킨 후 CO2 레이저로 탄화시켜 나노다공성 구조가 형성되게 함으로써 높은 전하밀도와 표면전위를 갖는 고성능의 웨어러블 나노발전기를 성공적으로 개발했다. 제작된 나노발전기의 출력밀도는 접촉모드에서 65?W/m2?와 비접촉모드에서 10.4 W/m2을 나타내었고 230% 이상의 우수한 신축성을 가졌다.

본 연구팀은 제작된 웨어러블 나노발전기를 이용해 비접촉식 무전원 촉각 및 압력센서와 각종 전자기기의 무선 동작제어 시스템을 설계 및 제작해 성공적으로 시연했다. 개발된 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대되며, 비접촉식 무전원 센서는 코로나-19 바이러스와 같은 감염병의 확산 예방과 터치패드 기반 전자인증시스템의 보안을 향상시키는데 크게 기여할 것으로 예상된다. 

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)과 해외우수과학자초청사업 (Brain Pool Program)의 지원을 받아 수행됐고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 '엘시비어 출판의 나노에너지'에 2편의 논문이 동시에 게재됐다.