한기대, 마찰대전 나노발전 성능 19배 상승 복합소재 개발
국내 연구진이 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 효율을 극대화할 수 있는 고분자-금속 복합소재를 개발하고, 그 메커니즘을 규명했다. 이를 바탕으로 고성능 마찰대전 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG) 기술을 구현하는 데 성공했다. 한국기술교육대(KOREATECH, 총장 유길상)는 배진우 교수(에너지신소재화학공학부) 연구팀이 니켈 도핑 코발트 페라이트(Ni/CoFe2O4, N-CF)를 전기방사한 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 복합소재에 적용, 기존 TENG 기술이 가진 높은 마찰 손실 문제를 극복한 복합소재를 개발했다고 8일 밝혔다. 기존 PVDF 기반 TENG는 출력 성능이 낮고 기계적 신뢰성이 떨어지는 한계가 있었다. 특히 저주파 진동과 같은 환경에서는 에너지 수확 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 이에 따라 연구팀은 금속 산화물인 코발트 페라이트가 가진 탁월한 전도성과 전하 트래핑 특성에 주목했다. 여기에 니켈을 도핑한 N-CF는 PVDF 내의 전기활성을 유도해 유전 특성을 극대화하고, 마찰 계면에서의 전하 이동 효율을 높여 TENG 성능을 향상하는데 기여했다. 연구 결과, 3 wt%의 N-CF가 도입된 PVDF 복합소재 기반 TENG(Al/PNC3-TENG)는 개방회로 전압(Voc) 421 V, 단락전류(Isc) 1.0 μA, 전력 밀도 0.42 W/m2를 기록하며, 기존 PVDF/Al 기반 장치 대비 약 19배 향상된 출력을 달성했다. 또 이 장치는 30개 LED와 스톱워치 디스플레이를 실시간으로 구동할 수 있는 성능을 보여줬고, 2만5000회 이상 연속구동에서도 출력 저하 없이 안정성을 유지해 내구성 측면에서도 우수함을 입증했다. 가줄라 프라사드 연구교수는 “이번 연구는 단순한 성능 향상에 그치지 않고, 복합소재 내에서 고분자-금속 간의 상호작용 메커니즘을 규명한 데 큰 의의가 있다”고 설명했다. 배진우 교수는 “이번 연구 성과는 TENG 기술의 실용화와 상용화를 앞당기는 중요한 전환점이 되는 연구이며, 웨어러블 전자기기, 스마트 센서, 사물인터넷(IoT) 등 자가발전 시스템이 필요한 다양한 분야에 적용 가능한 솔루션을 제공할 이라고 설명했다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 창의도전 연구기반지원사업 및 이공분야기초연구사업(중견연구) 사업 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 IF 23.2의 세계 최고 수준 국제학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials' 온라인판에 3월 25일 게재됐다.
