현재 주요 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료나 핵연료는 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있기 때문에 자연이나 우리의 일상생활에서 버려지는 진동, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
그중에서도 인체의 움직임, 바람, 진동 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료·헬스케어 기기, 사물인터넷, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기 및 산업분야에서 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로 활용될 수 있다.
접촉-분리 모드 혹은 슬라이딩 모드의 구동원리를 갖는 마찰전기 나노발전기는 동작시에 지속적인 마찰로 인해 신뢰성과 내구성, 그리고 성능이 저하되는 문제점이 있다. 이에 박 교수팀은 실록신과 에코플렉스 소재를 합성해 전기음성도와 전자 친화도가 높은 나노복합 소재를 개발했다.
이황화 몰리브덴을 코팅한 레이저 유도 그래핀 소재를 적층해 이중 구조를 설계, 고성능의 비접촉식 유연 나노발전기를 제작했다. 이는 실록신·에코플렉서 나노복합 소재를 전하 발생 층으로, 이황화 몰리브덴(MoS2) 통합 레이저 유도 그래핀 소재를 전하 트래핑(Charge Trapping) 층으로 활용해 접촉이 없어도 고출력을 낼 수 있다.
전하 트래핑 층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고, 잔류 전하를 트래핑해 전하 유지를 증가시켜 나노발전기의 출력을 크게 향상한다. 이렇게 제작된 나노발전기의 피크 전력과 표면 전위는 각각 2배, 4배 증가했다.
비접촉식 유연 나노발전기는 손이 발전기에 접근하거나 발전기에서 분리될 때 전기를 출력한다. 이격 거리가 클수록 출력 전압은 낮아지지만, 최대 14cm 떨어진 지점에서도 물체를 감지할 수 있기 때문에 충분한 전기신호 출력을 낼 수 있다.
또한 연구팀은 이 나노발전기를 이용해 비접촉식 손 세정제 시스템과 무선 동작제어 시스템을 설계·제작했다. 이와 같이 비접촉 유연 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 폭넓게 활용될 수 있다.
비접촉식 무전원 센서는 코로나-19 바이러스와 같은 감염병의 확산 예방과 터치패드 기반 전자인증시스템의 보안을 향상하는데도 크게 기여할 것으로 기대된다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리(WILEY) 출판사의 'Advanced Functional Materials'(IF: 18.8) 표지논문으로 게재됐다.
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