플라스틱의 마찰로 전기를 생산하는 기술이 등장했다.
이 기술은 웨어러블·헬스케어 기기, 사물인터넷(IoT), 스마트물류 등에서 베터리 없이 전기에너지를 공급하는 차세대 전자기기의 동력원이 될 수 있다.
한국연구재단은 대구경북과학기술원(DGIST)이 플라스틱을 활용한 ‘이온성 직류 마찰전기 나노발전기(iDC-TENG)’를 개발, 정류회로 없이 다양한 기계적 움직임으로 안정적인 직류 전력 공급이 가능함을 입증했다고 3일 밝혔다.
이온성 직류 마찰전기는 전극 표면에 이온이 축적돼 내부 전기장을 형성하는 원리로 직류가 발생하는 현상이다.
기존 마찰전기 나노발전기(TENG)는 기계적 에너지를 전기로 변환하는 친환경 기술로 주목받았지만, 교류만 발생하기 때문에 정류회로를 거쳐 직류로 전환하는 과정에서 에너지 손실과 소자 복잡성이 불가피했다.
이를 극복하기 위해 반도체 기반 마찰전압 발전소자, 유전체 파괴 기반 직류 소자 등이 개발됐지만, 고비용·저출력과 제한적 적용으로 한계가 있었다.
연구팀은 범용 플라스틱 소재인 폴리염화비닐(PVC)에 가소제 디옥틸 아디페이트(DOA)를 첨가해 기존 절연성 고분자를 이온전도성을 지닌 유연한 소재로 변환했다.
이 소자는 단순한 적층 구조로 구현되어 대면적화·저비용화가 용이해 이를 바탕으로 iDC-TENG을 제작했다.
연구팀은 iDC-TENG 소자를 접촉-분리, 슬라이딩, 회전 등 다양한 방식으로 반복 구동해 전압, 전류, 전력 등 출력 특성을 체계적으로 측정하고, 전극 재질과 일함수 차이를 조절하며 출력성능 변화를 분석했다.
이를 통해 전하 확산과 전극 분극이 직류 발생의 핵심 원리임을 규명했다.
아울러 장기간 반복구동 실험으로 내구성을 평가하고, 축전기, LED, 센서 구동 등 응용 실험도 진행했다.
실험 결과 최적화된 PVC-DOA 필름을 적용한 결과, 접촉-분리 모드에서 약 260 mW/㎡, 슬라이딩 모드에서 수십 mW/㎡, 회전 모드에서 수백 mW/㎡의 직류 전력 밀도를 안정적으로 구현하며 250개 이상의 LED 점등, 온·습도 센서 구동을 성공적으로 수행했다.
특히 10만 회 이상 반복 구동에도 출력 저하가 거의 없어 우수한 내구성을 입증했다.
이 교수는 “이번 연구는 향후 지속가능한 에너지 하베스팅 기술의 산업화를 앞당기고, 차세대 친환경 전력 공급원으로서 웨어러블·IoT·스마트 물류 분야 혁신에 기여할 것으로 기대한다”고 설명했다.
한편, 이번 연구성과는 지난달 29일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
(논문명 : Direct Current Generation in Triboelectric Nanogenerators Through Ionic Dynamics and Electrode Polarization Effects / 저자 : 이주혁 교수(교신저자/대구경북과학기술원), 제랄드 셀레시 그바담(Gerald Selasie Gbadam 박사과정(제1저자/대구경북과학기술원), 박효식 박사 (공동저자/대구경북과학기술원), 이철재 박사과정 (공동저자/대구경북과학기술원), 주현서 박사 (공동저자/대구경북과학기술원), 곽수정 박사과정 (공동저자/대구경북과학기술원), 윤홍준 교수 (공동저자/가천대학교), 류한준 교수 (공동저자/중앙대학교), 이상민 박사과정 (공동저자/한양대학교), 이주헌 교수 (공동저자/한양대학교))
