DGIST 에너지공학과 이주혁 교수팀이 금오공과대학교 이원호 교수팀과 공동으로 마찰대전 발전 소재의 핵심 성질인 ‘극성(極性)’을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 설계 전략을 세계 최초로 제시했다. 이번 연구는 고분자 전해질(polymer electrolytes)을 활용해 극성 방향을 구조적으로 조절하고, 장기 내구성까지 향상시킨 것이 핵심이다.
마찰대전 발전 기술은 마찰을 통해 전기를 생산하는 방식으로, 배터리 없이도 전력을 만들어낼 수 있어 친환경 에너지 하베스팅 기술로 주목받고 있다. 하지만 기존의 이온성 액체 기반 소재는 누액, 환경 불안정성, 내구성 저하 등으로 인해 상용화에 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 이온이 고분자 사슬에 고정된 형태의 ‘고분자 전해질’을 새롭게 설계하고, 이를 이용해 마찰대전 극성을 원하는 방향으로 조절할 수 있는 플랫폼 개념을 제안했다. 이 접근법은 출력 향상뿐만 아니라 소재 설계의 유연성까지 확보했다는 점에서 의미가 크다.
실험 결과, 양이온성을 가진 고분자 전해질 P(MA-A⁺20)TFSI⁻는 기존 소재(PMA) 대비 약 2배 높은 83V의 출력을 기록했고, 음이온성을 가진 P(S-S⁻10)Na⁺는 기존 소재(PS)보다 4배 높은 34V의 출력을 달성했다. 이를 통해 고분자 구조에 따라 마찰대전 극성을 제어할 수 있고, 이온 조성비를 통해 출력 성능까지 정밀하게 조정할 수 있음을 입증했다.
또한, 고분자 사슬에 이온이 고정된 구조 덕분에 불필요한 이온 이동으로 인한 전하 손실이 줄어들고, 60℃ 고온 환경에서도 일주일 이상 출력 저하 없이 안정적으로 작동하는 높은 열적 안정성을 확보했다. 반면, 기존 고분자-이온성 액체 혼합물(PMMA+10IL)은 같은 조건에서 약 27%의 출력 감소를 보여 고분자 전해질 기반 소재의 우수성이 뚜렷하게 입증됐다.
이주혁 DGIST 교수는 “이번 연구는 단순한 성능 향상을 넘어 고분자 구조 설계를 통해 마찰대전 극성 자체를 제어할 수 있는 새로운 개념을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “향후 차세대 에너지 하베스팅 소자 설계에 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘나노미래소재원천기술개발사업’의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 공동 제1저자인 DGIST 주현서 박사(연구 당시 박사과정)와 금오공대 박수진 연구원(연구 당시 석사과정)에 의해 진행됐다. 연구 논문은 재료과학 분야 세계적 권위지 ‘Advanced Materials’에 10월 표지논문으로 게재됐다.
헬로티 이창현 기자 |
