물질 종류에 관계없이 표면처리만으로 웨어러블 전원 등에 활용 가능
 

충남대 전기공학과 나정효 교수와 경희대 이민형 교수팀이 물질의 종류에 관계없이 표면처리만으로 착용형(웨어러블) 기기의 전원 등으로 사용할 수 있는 고효율 마찰전기 발전소자(TEG)를 제작하는 기술을 개발했다.

나정효 교수와 이민형 교수팀은 지난 4월 26일, 마찰 시 전기적 성질이 다른 두 물질로 음료수병 등으로 널리 사용되는 플라스틱인 PET 표면을 처리, 효율이 높고 내구성이 뛰어난 마찰전기 발전소자를 만들었다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 미국화학회(ACS) 발간하는 나노분야 학술지 'ACS 나노'(ACS NANO, 4월 6일자) 온라인 판에 게재됐다.

최근 모바일 기기가 널리 사용되고 웨어러블 기기가 속속 등장하면서 이들 기기의 전기 공급 또는 충전을 위한 발전장치로 마찰전기 발전소자가 관심이 끌고 있다.

마찰전기 발전소자는 마찰이 일어날 때 전자를 내주는 성질이 큰 물질과 전자를 받아들이는 성질이 큰 물질을 마찰시켜 전기를 생산하는 것으로 지금까지는 전기적 성질 차이가 큰 물질을 이용해 발전소자를 만들고 효율을 높이는 연구가 주로 진행됐다.

그러나 이 방법은 마찰전기 발생 정도가 근본적으로 두 물질의 전기적 성질에 따라 결정되기 때문에 표면 패터닝 기술이나 소자구조 등으로 효율을 높이는 데는 한계가 있었다.

연구진은 이 연구에서 화학물질을 이용한 표면처리 기법을 이용해 같은 재료의 표면처리만으로 많은 마찰전기를 생산할 수 있는 구조를 만드는 기술을 개발했다.

먼저 PET 필름 표면을 산소플라즈마로 처리한 다음 필름 하나에는 마찰 시 전자를 내어주는 성질이 강한 물질(폴리-L-라이신)을 결합시키고 다른 필름 표면에는 전자를 끌어들이는 성질이 강한 물질(트리클로로 실란=FOTS)를 결합시켰다.

이렇게 서로 다른 물질로 표면처리를 한 PET 필름으로 만든 마찰전기 발전소자는 약한 힘(0.5㎫)으로 마찰시킬 때 단위면적(1㎡) 당 최고 330V의 전압과 270㎃의 전류를 생산하는 성능을 보였다.

또 2개월여에 걸쳐 3만번 정도 실험을 반복한 후에도 동일한 발전 성능을 보일 정도로 내구성도 우수한 것으로 확인됐다.

나정효 교수는 "이 기술은 다양한 소재와 표면패턴, 소자구조에 제한 없이 간편하게 적용할 수 있을 뿐 아니라 가격도도 저렴하고 신뢰성이 높은 게 장점"이라며 "압전소자나 유도전기 발전기 등 다양한 기기에 함께 적용하면 발전 효율을 더욱 높일 수 있을 것"이라고 말했다.