움직이면 전기 생긴다…웨어러블 자가발전 신소재 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국화학연구원 이수연, 최영민 박사 연구팀은 늘리고 굽히는 등 어떤 형태로 변형해도 스스로 전기를 생산해낼 수 있는 새로운 정전기 소재를 개발했다고 14일 발표했다.

신체의 움직임에 따라 발생하는 소재의 신축·변형을 전기에너지로 전환할 수 있어 충전 없이 웨어러블 전자기기를 작동할 수 있는 신소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

사람의 움직이는 동작을 전기에너지로 전환·수확해 웨어러블 전자기기를 작동할 수 있게 만드는 연구가 활발하다. 배터리 충전 없이 수확된 전기 에너지만으로 전자기기를 작동할 수 있다면 궁극의 자가발전이 실현될 수 있다.

자가발전 소재에는 여러 형태가 연구되고 있는데, 특히 정전기를 이용한 연구가 전세계적으로 활발하다. 정전기를 이용한 자가발전 소재는 보통, 서로 다른 대전특성을 가진 두 가지 물질이 닿았다 떨어지거나 마찰할 때 생기는 전하의 이동으로 전기를 생산한다.

기존 소재들은 주로 변형이 없는 형태에서 마찰만 시켜 정전기를 발생하는 방식으로 전기를 생산해 웨어러블 기기 적용에 한계가 있었다. 늘어나는 기존 소재도 많은 양의 전기를 발생시키지는 못했다.

화학연 연구팀은 늘리거나 구부려도 소재 자체의 전도성은 변하지 않는 새로운 전극 소재층을 개발하고, 그 위에 대전특성이 강한 폴리우레탄폼을 표면에 코팅해 두 층을 하나의 물질로 융합했다. 표면에 코팅한 우레탄폼은 올록볼록한 돌기로 만들어, 늘리거나 구부릴 때 마찰 표면적을 최대화할 수 있도록 했다.

개발된 소재는 형태 변형이 늘림 하나만 일어났을 때보다, 늘림과 구부림을 동시에 가했을 때 5배 더 많은 전기를 생산해내는 것으로 나타났다. 보통 신체 관절은 늘림과 굽힘이 함께 일어난다는 것을 고려하면 웨어러블 기기에 적합할 수 있다.

연구팀은 스마트 워치, 헬스케어 밴드 등 웨어러블 기기 뿐만 아니라 사물인터넷(IoT)의 자가발전 센서 등에 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 보고, 정전기 소재에서 나온 전기를 저장할 수 있는 고효율 슈퍼커패시티 소재를 개발해 에너지 발생과 저장이 통합된 모듈을 개발할 계획이다.

화학연 이수연 박사는 “이번에 개발한 고출력 에너지 발전소재는 마찰대전 특성이 큰 고분자 소재를 다양한 형태변형이 가능할 수 있도록 새롭게 디자인함으로써 기존 소재의 한계를 극복하고 고출력 에너지 하베스팅 분야에 활용할 수 있게 했다"고 말했다. 연구팀은 현재 한국·미국·유럽·중국에서 특허 등록을 진행하고 있다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌연구실지원사업(GRL) 및 국가과학기술연구회의 주요사업으로 수행됐으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지인 'ACS 에너지 레터스'에 11월호 표지논문으로 게재됐다.(논문명: High-Performance Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator Based on Hierarchical Auxetic Structure. 논문링크: pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01909)