기존보다 에너지 효율 40배 향상…웨어러블 디바이스, IoT에 응용 기대
일상적으로 버려지는 마찰전기 에너지를 보다 높은 효율로 전기에너지로 전환하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
마찰전기의 저장 효율을 증가시키기 위해서는 전극 표면에서의 전하 손실을 방지하고 전극 중심부로 전하를 이동시키는 과정이 중요하다.
하지만 기존 연구들에서는 전하 이동의 과정이나 무기 재료의 사용에 따른 전하 이동, 저장 현상들을 해석하는 것이 간과되었다.
기존 마찰전기 에너지의 전환 효율을 약 40배 향상시키는 기술로, 웨어러블 디바이스의 전원, 사물인터넷(IoT) 등에 사용 가능할 것으로 연구진은 기대하고 있다.
지스트(광주과학기술원)는 에너지융합대학원 박찬호 교수와 전남대학교 고분자융합소재공학부 박종진 교수 공동연구팀이 일상생활에서 버려지는 마찰전기 에너지의 발생 소재에서 효율적인 에너지 수확을 위해 마찰 표면을 더 많은 양(+)의 기전력과 음(-)의 기전력을 가질 수 있는 상태로 변환시켜 마찰전기 서열을 자유자재로 바꿀 수 있는 획기적인 방법을 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 다공성 탄소의 외부 비표면적이 클수록 전하를 잘 붙잡고 작을수록 전하 이동이 빨라지는 현상을 이용해, 외부 비표면적을 변화시킨 다공성 탄소 세 종류를 적층하여 전하의 이동을 제어함으로써 마찰전기 저장 효율을 향상시켰다.
그 결과, 기존에 다공성 탄소를 사용하지 않은 마찰전기 발전기의 경우 15.2V의 출력 전압을 나타냈지만, 이번 연구의 방법과 재료를 사용할 경우 기존보다 약 40배 향상된 600V의 출력 전압을 얻을 수 있었다.
기존 마찰전기 에너지 하베스팅 연구에서는 단순한 표면 화학구조의 변화나 물리적인 표면적 향상에 초점을 맞춘 반면, 이번 연구는 다공성 탄소를 이용하여 마찰전기 발전기 재료 내부에서의 전하 이동과 저장 현상을 설명함으로써 후속 연구에서 다양한 소재 개발, 재료 구성의 가능성을 열어두었다.
지스트 박찬호 교수는 “다공성 탄소 소재를 활용해 주변에서 버려지는 마찰전기나 정전기를 실제 활용할 수 있는 전기로 수확할 수 있는 디바이스를 제조하였다”며 “향후 소재 개발을 통해 실제 웨어러블 디바이스에 적용할 계획”이라고 말했다.
전남대 박종진 교수는 “마찰전기를 담지할 수 있는 다공성 소재 개발은 최근 다양한 마찰전기 기반의 에너지 수확 시스템에서 높은 효율의 에너지 발생 효율을 기대할 수 있고, 웨어러블 디바이스에 필요한 자가 발전 소재로 응용 가능한 핵심 소재로 기대된다”라고 말했다.
이번 연구는 지스트 GRI(GIST 연구원) 사업 및 산업통상자원부의 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Small Methods’에 전면 내부 표지 논문(Inside Front Cover)으로 5월 18일 게재됐다.
헬로티 김진희 기자 |
