포스텍(총장 김도연) 김동성 교수 연구팀이 일상에서 버려지는 마찰전기를 모아 전력으로 재활용하는 나노발전기* 제조과정을 단순화해 저비용·고효율·고속 및 대량생산이 가능한 공정기술을 개발했다.

마찰전기를 이용한 나노발전기 상용화 원천기술 개발에 성공한 김동성 교수 연구팀이 기념촬영을 하고 있다. 왼쪽부터 김동성 교수(교신저자), 최동휘 연구원(제1저자)

김동성 교수 연구팀은 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업 등을 통해 얇고 투명하며, 휘어지는 나노발전기의 대량생산 및 상용화에 관한 연구를 수행했다.

연구결과는 재료분야의 권위있는 학술지인 어드밴스드 머트리얼즈(Advanced Materials) 온라인판 10월 15일자에 게재됐다. 오는 12월 2일에는 오프라인에도 게재된다.

최근 스마트폰, 태블릿 PC 등 소형 모바일 전자기기에 지속적으로 전기를 공급할 수 있는 ‘에너지 하베스팅 기술(energy harvesting)’에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. ‘에너지 하베스팅’ 은 진동·사람의 움직임·빛·열·전자기파 등 주변에서 버려지는 에너지를 모아 사용가능한 전기에너지로 변환하고 이용하는 기술을 말한다.  

이 기술 중 하나인 ‘접촉대전 나노발전기술’은 두 개의 서로 다른 물질이 접촉 후 분리될 때 마찰전기에 의해 생성되는 유도전하**를 이용하는 기술로써 다른 에너지 집약 기술보다 유용성과 효율이 높지만 반도체 진공공정과 같은 고비용 다단계 공정을 수반하는 단점을 갖고 있어 상용화를 위한 대량생산이 어려웠다.  

김 교수 연구팀은 접촉대전 나노발전기 제작에 있어서 나노임프린팅 공정***을 도입, 여러 단계로 이뤄진 기존 제작공정과 달리 나노표면 제작과 전도층 부착 공정을 한 번에 진행할 수 있음을 발견했다.  

이를 통해, 얇고 투명하고 휘어질 뿐만 아니라, 표면에 수백 나노 크기(1000만분의 1m)의 미세한 구조를 형성, 나노구조가 없는 평판구조와 비교했을 때 최고 약 10배까지 에너지 발전 효율을 증가시킨 접촉대전 나노발전기를 세계 최초로 제작하는 데에 성공했다.  

1 제곱센티미터(cm2)의 접촉대전 나노발전기를 수 분 내에 1달러 정도의 비용으로 제작할 수 있게 돼 상용화의 가능성을 높였으며,’웨어러블 전원 공급 장치’ 및 ‘휘는 디스플레이’의 표면에 부착해서 전원 보조 장치로 사용하거나 태양전지와 융합해 태양광과 떨어지는 빗물의 에너지를 동시에 이용해 전기를 생산하는 ‘다중 에너지 수확 장치’등으로도 응용이 가능하다.  

김동성 교수는 “이번 연구를 통하여 얇고 투명하며, 휘어지는 접촉대전 나노발전기를 값싸고 빠르게 제작할 수 있는 상용화 기술을 세계 최초로 보고함으로써 산업적인 파급효과가 매우 클 것으로 예상하며, 웨어러블 전자기기와의 융합을 통해 새로운 산업에도 폭 넓게 응용이 가능하다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

최혜영  커뮤니케이터

[용어해설] 

* (접촉대전) 나노발전기  : 서로 다른 두 가지 물질이 접촉한 후 분리됨에 따라 발생하는 전기 에너지를 수확하는  장치

** 유도전하 : 양(+) 혹은 음(-)으로 대전된 물체로부터 유도되는 전기장을 0으로 만들기 위해 흐르는 반대 부호의 전하.

*** 나노임프린팅 공정 : 나노 금형을 고분자로 이루어진 필름들과 함께 적층한 후 적절한 열과 압력을 가하는 방법으로, 표면에는 나노 크기의 미세한 구조를 형성한다.