DGIST 김회준 교수팀, 친환경 소재를 탑재한 하이브리드 압전-마찰전기 나노발전기 개발
기존 발전기 대비 높은 효율 보여...저전력 전자기기의 에너지원 및 자가발전 센서 분야 적용 기대돼

DGIST(총장 국양) 로봇공학전공 김회준 교수팀은 무연납 다강성 물질을 탑재한 압전(壓電)-마찰전기 하이브리드 나노발전기를 개발했다. 개발된 발전기는 기존 대비 더 높은 출력 성능을 가져, 향후 웨어러블 의료기기를 포함한 다양한 분야에서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

 현재 환경오염 물질들로 제작된 전자기기의 배터리를 대체할 친환경 재생 가능 에너지원 개발 연구가 계속되고 있다. 이렇게 개발된 다양한 재생 가능 에너지원들 중 표면 간 접촉으로 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 바탕으로 전기적 에너지를 생성하는 ‘마찰전기 나노발전기(TENG, Triboelectric Nanogenerator)’와 압전재료가 기계적 에너지를 공급 받았을 때 이를 전기적 에너지로 변환하는 ‘압전 나노발전기(PENG, Piezoelectric Nanogenerator)’는 모두 낮은 전력 출력이 한계점으로 지적돼왔다.

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 무연납, 무독성의 고분자 세라믹 복합재료인 티탄산 비스무스(Bismuth titanate)와 실리콘 오일(PDMS, Polydimethylsiloxane)을 혼합, 고효율의 하이브리드 압전-마찰전기 나노발전기를 개발했다. 이 때 활용된 티탄산 비스무스는 무독성이며 납이 포함돼있지 않은 친환경 물질로, 신체에 직·간접적으로 적용돼도 무해하다.

 개발된 나노발전기는 기존의 마찰전기 나노발전기와 압전 나노발전기를 합친 형식으로, 마찰에서 일어나는 에너지와 기계적 운동에서 발생하는 에너지를 모두 전기에너지로 바꾼다. 이를 통해 김 교수팀은 기존의 압전 나노발전기에 비해 약 20배, 마찰전기 나노발전기에 비해서는 약 3배에 달하는 출력 증가를 달성했다.

 추가적으로 김 교수팀은 개발된 2개의 나노발전기 유닛을 서로 연결하고 이를 3D 프린터로 만든 구조에 고정시킨 새로운 구조를 만들었다. 이 때, 두 나노발전기 사이에 작은 공을 넣어 전류 전달이 가능하도록 하고, 이를 통해 모터가 움직이며 발생하는 기계적 에너지를 전기에너지로 변환, 축전기에 저장되도록 했다. 개발된 구조는 초기 발전기의 성능 측정을 위해서 제작됐지만, 저장된 전기에너지를 LED 조명이나 계산기, 손목시계 등 소형 전자기기를 작동시키기에 충분할 정도의 성능을 갖고 있어, 앞으로 다양한 응용이 기대된다.

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 “로봇에 적용되는 촉각센서를 연구하면서 압전-마찰전기 나노발전기에 관심을 갖게 됐다”며 “우리는 새로운 나노 물질을 합성하기 위한 연구를 계속하고 나노발전기를 개발하여 자체 구동 센서의 개발을 목표로 연구를 계속할 것이다”고 했다.

 한편, 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 가장 권위 있는 국제 학술지 중 하나인 ‘Nano Energy’에 7월 7일(수) 온라인 게재됐다.
 

· · ·

연구결과개요

Lead-free flexible Bismuth Titanate-PDMS composites: A multifunctional colossal dielectric material for hybrid piezo-triboelectric nanogenerator to sustainably power portable electronics
(Sugato Hajra, Aneeta Manjari Padhan, Manisha Sahu, Perumal Alagarsamy, Kyungtaek Lee, Hoe Joon Kim*)
(Nano Energy, on-line published on July 7th, 2021) 

에너지 생산과 수요 격차는 날로 심화되어 오염, 자원 고갈로 이어져 결국 인간과 해양의 건강을 해치고 있다. 따라서 에너지 수요 증가에 따른 대체 및 친환경적 에너지원에 대한 요구가 점차 증가하고 있다. 압전-마찰전기 나노발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있어 웨어러블 의료기기, IoT 센서, 자가발전 전자소자 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 기반을 가지고 있는 유망한 기술이다.

마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)는 표면간 접촉에 의해 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 기반으로 에너지를 생성하는 기술이며, 압전 나노발전기(Piezoelectric Nanogenerator, PENG)는 압전 재료가 기계적 에너지를 받았을 때 이를 전기적 에너지로 변환하는 작동 방식이다. 각각의 개별적 나노발전기는 전력 효율이 낮아 일부 장치에 적용하는데 한계가 있다. 이 연구는 개별 나노발전기가 아닌 두 나노발전기 모두를 이용한 에너지 하베스터로 출력 증가가 주요한 장점이다.

특히 강유전성, 강자성 및 우수한 유전 특성을 가지는 다강성 Bismuth Titanate 재료를 이용한 개발에 중점을 두고 있다. 이 물질은 폴리머 물질과 혼합될 때 내부 분극 증폭을 향상시키는 역할을 한다. 우수한 전력 효율과 장기간의 안정적인 전기 출력을 발생시키는 압전-마찰전기 하이브리드 나노발전기 설계에 이러한 재료가 적용된 것은 첫 시도이다. 이 연구는 기존 하이브리드 나노발전기의 효율성을 극대화하고 바이오 로봇, 촉각 감지 응용 분야 등 다양한 곳에 에너지원으로 적용될 것으로 기대된다.

· · ·

 
연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 연구는 나노발전기를 이용해 에너지를 생산 및 저장 해 왔으나 전력 효율이 떨어진다는 문제점이 있음.
압전 및 마찰전기 방식을 결합한 하이브리드 나노발전기를 통해 높은 전력 효율을 달성하였음.
다강성 물질의 합성을 통해 폴리머 내부의 분극을 증폭시켜 결과적으로 높은 출력 성능을 가지는 하이브리드 에너지 하베스터를 제작함.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
페로브스카이트 물질이 가지는 우수한 전기기계 및 압전 특성을 이용한다면 에너지 하베스팅, 저장 등 여러 장치에 널리 활용될 수 있음.
폴리머 계열과 혼합하여 사용한다면 우수한 기계적 안정성과 유연성을 얻을 수 있어 열악한 환경 속에서도 활용이 가능할 것으로 기대함.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
실용화를 위해서는 장치의 복잡성과 프로세서의 확장 필요성 때문에 이를 해결할 기술이 필요함.
에너지 하베스터의 더 높은 전력효율이 아직 연구단계에 있기 때문에 전력효율을 높여 실용화까지 적용하는 데에는 몇 년 걸릴 수 있으나 응용분야에 따라 그 시간이 달라질 것으로 예상함.

Q. 연구를 시작한 계기는?.
본 연구진은 Bismuth Titanate 물질의 합성 및 재료 특성에 대해 알아보던 중, 물질이 우수한 다강성을 가지는 것에 관심을 두게 되었음.
압전소자 및 마찰소자 각각의 저전력 밀도를 개선하는 방법을 고민하던 중 하이브리드 방식으로 압전 및 마찰전기 메커니즘을 하나의 단일 장치로 결합하고 성능을 향상시키는 아이디어를 생각해내게 됨.

Q. 어떤 의미가 있는가?
본 연구를 통해 고분자 내에서 강한 내부 분극을 유도하는 고유전율 입자를 갖는 고성능 하이브리드 나노발전기를 이해하는 계기가 될 것이라고 생각함.
로봇 공학, 촉매 작용, 생물 의학 등 다양한 분야에서 자체 전력 응용 프로그램을 개발하고 관련 연구를 보다 적극적으로 추진할 수 있음.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
세계적으로 에너지 위기가 큰 문제로 자리 잡고 있는 요즘, 다강체, 고유전율 유전체와 같은 특성을 가지는 새로운 기능성 재료가 이러한 문제들의 해결에 기여할 것 이라고 생각함.
우리의 연구가 에너지 하베스터 연구에 기여하여 광범위한 자체 전원 응용 프로그램을 설계하고 상용화 될 수 있기를 목표로 하고 있음.

(좌측상단) 물질합성 및 내부 분극 증폭 메커니즘
(좌측하단) 고분자-세라믹 복합 재료의 유연성
(우측) 압전-마찰전기를 적용한 에너지 하베스터