국내 연구진이 지속 가능한 전기를 구현하는 기술을 개발했다. 

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 조길원 POSTECH 교수, 이시영 박사 연구팀이 울산대 나노에너지화학과 이승구 울산대 교수, 광운대 화학공학과 이기원 광운대 교수(POSTECH 화학공학과 동문) 연구팀과의 공동 연구를 통해 불소 탄성체를 사용한 도미노 구조로 고효율 ‘마찰 전기 나노 발전기(Triboelectric nanogenerator, 이하 TENG)’를 개발하는 데 성공했다고 23일 밝혔다.

마찰 전기(Triboelectricity)는 두 물체가 접촉하고 분리될 때 전자가 이동하면서 발생하는 전기 현상으로, 이를 기반으로 한 TENG는 사람의 움직임, 바람, 진동 등 일상생활 속 다양한 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 하지만 에너지 변환 효율, 접촉 면적, 변형성 등에서 여전히 한계가 있었다. 

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘도미노’의 원리에 주목했다. 도미노가 작은 힘으로도 쓰러지는 것처럼, 연구팀은 외부에서 가해지는 미세한 힘이나 압력에 의해 쉽게 변형 가능한 마이크로(micro) 규모 도미노 구조를 TENG에 접목했다.

또한 연구팀은 실리콘 탄성체와 불소가 포함된 고분자 탄성체를 혼합해 TENG 소자를 제작했다. 이 소자는 물에 닿았을 때 물방울이 표면에 달라붙지 않고 도미노 구조를 따라 쉽게 굴러가기 때문에 하나의 물방울로도 효율적으로 전기를 생산할 수 있다. 그뿐 아니라, 오염 물질도 표면에 잘 붙지 않아 자가 세정 특성을 유지할 수 있다.

연구팀은 이러한 기술을 바탕으로 바람과 빗방울로부터 전기를 만들어낼 수 있는 ‘인공 나뭇잎’과 손목 흔들기, 손 씻기 등의 동작으로 전기를 생산하는 웨어러블 ‘손목 밴드’를 제작하는 데 성공했다. 특히, 제작된 TENG는 최대 약 1,300V의 전압과 9.8 W/m²의 출력 밀도로 뛰어난 에너지 변환 효율을 보였다.

조길원 POSTECH 교수는 “이 TENG는 물이나 바람을 활용해 높은 효율로 전기를 생산할 수 있어, 비바람이 잦은 지역에서 태양 전지를 대체할 가능성이 크다”며 “이 기술을 웨어러블 기기에 적용하면 충전이 필요 없는 웨어러블 전자 기기의 시대를 열 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 우수성을 인정받아 재료 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판 앞표지 논문으로 게재됐다. 한편, 이 연구는 과학기술 정보통신부, 교육부, 광운대학교 교내연구과제 등의 지원을 받아 수행됐다.