광운대 박재영 교수팀, 나노복합소재 고출력 나노발전기 개발

(왼쪽부터) 광운대 전자공학과 박재영 교수, 소헬 박사과정, 살라우딘 박사

광운대학교는 최근 전자공학과 박재영 교수 연구팀(사진)이 레이저탄화 멕신(MXene)·ZiF-67, 나노다공성산화코발트(NPCO)·실리콘(Silicone), 멕신(MXene)·실리콘(Silicone) 나노복합소재를 활용해 초고출력의 웨어러블 접촉/비접촉 마찰전기 나노발전기와 무전원 촉각/압력센서를 개발했다고 7일 밝혔다.

현재 주요 에너지원으로 사용되는 화석연료나 핵연료는 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있기 때문에 자연이나 우리의 일상생활에서 버려지는 진동, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술에 관심이 높아지고 있다.

그중에서도 인체의 움직임, 바람, 진동 등과 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 메타버스, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기와 산업분야에서 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로 활용 가능한 미래 유망기술이다.

박 교수팀은 나노다공성 산화코발트(NPCO)와 실리콘 소재를 합성해 전기음성도와 전자 친화도가 매우 높은 나노복합소재를 개발했다. 신축성 있는 전도성 원단(Conductive stretchable Fabric)에 멕신·실리콘 나노복합소재와 적층, 이중 층 구조로 마찰전기 나노발전기를 제작해 고출력 전기를 생산하는 데 성공했으며, 이는 단일 층 구조의 기존 나노발전기보다 15배가량 높은 전력밀도를 나타냈다.

멕신·실리콘 나노복합소재는 전하 트래핑(Charge Trapping)과 전하수송(Charge Transport) 층으로 활용됐다. 전하 트래핑 층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고 전하 트랩에 잔류 전하를 트래핑해 전하 유지를 증가시킴으로써 나노발전기의 출력을 크게 향상했다.

연구팀은 멕신·실리콘 나노복합소재 위에 멕신/ZiF-67 복합소재를 증착시킨 후 CO2 레이저로 탄화했다. 이어 나노다공성 구조가를 형성해 높은 전하밀도와 표면 전위를 갖는 고성능의 웨어러블 나노발전기를 개발했다.

이렇게 제작된 나노발전기의 출력밀도는 접촉모드에서 65 W/m2, 비접촉모드에서 10.4 W/m2을 보였고, 230% 이상의 우수한 신축성을 가졌다.


박 교수팀은 그들이 제작한 웨어러블 나노발전기를 이용해 비접촉식 무전원 촉각 및 압력센서와 각종 전자기기의 무선 동작 제어 시스템을 설계해 성공적으로 시연했다.

해당 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 활용될 수 있으며, 비접촉식 무전원 센서는 코로나19 바이러스와 같은 감염병의 확산 예방과 터치패드 기반 전자인증시스템의 보안을 강화할 수 있다.



한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구자 지원사업과 해외우수과학자초청사업(Brain Pool Program)의 지원을 받아 진행됐다.

연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어(Elsevier) 출판 '나노에너지'(Nano Energy, IF: 19.06)에 게재됐다.