인체 유해 기존 불소 고분자 대체 가능황 고함유 고분자에 맥신 코팅 시 전력 밀도 8배 이상 높아져
  • ▲ 왼쪽부터 한양대 유기나노공학과 위정재 교수, 한태희 교수, 인하대 물리학과 이민백 교수, 한양대 유기나노공학과 조웅비 석박사통합과정생, 김성수 석박사통합과정생.ⓒ한양대
    ▲ 왼쪽부터 한양대 유기나노공학과 위정재 교수, 한태희 교수, 인하대 물리학과 이민백 교수, 한양대 유기나노공학과 조웅비 석박사통합과정생, 김성수 석박사통합과정생.ⓒ한양대
    한양대학교는 유기나노공학과 위정재 교수팀과 한태희 교수팀이 인하대학교 물리학과 이민백 교수팀과의 공동연구를 통해 혁신적인 마찰대전 발전 소자를 개발했다고 13일 밝혔다.

    공동 연구팀은 석유 정제 과정에서 발생하는 원소 황 폐기물을 활용해 고성능의 황 고함유 고분자를 합성하고, 이를 차세대 2차 물질인 맥신과 복합화해 지속 가능하고 효율적인 발전 소자를 만드는 데 성공했다.

    마찰대전 발전은 이종 물질 간 마찰로 발생하는 전기에너지를 활용하는 친환경 에너지 하베스팅 기술로 주목받는다. 현재 가장 효율적인 마찰대전 발전 소자는 불소 고분자를 주요 구성품으로 사용한다. 높은 전자친화도로 우수한 전력 발생 성능을 자랑한다. 그러나 불소 고분자의 제조 과정에서 과불화화합물(PFAS)이 사용되며 이들 화합물은 생태계와 인체에 해로운 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 미국 식품의약국(FDA)은 올해 2월 과불화화합물이 포함된 물질의 경우 식품 포장용으로 판매를 금지하는 법안을 통과시켰다.
  • ▲ 황 고함유 고분자·맥신 복합소재 기반 고성능, 지속가능한 마찰대전 발전기의 성능 비교 및 재활용 폐루프 모식도.ⓒ한양대
    ▲ 황 고함유 고분자·맥신 복합소재 기반 고성능, 지속가능한 마찰대전 발전기의 성능 비교 및 재활용 폐루프 모식도.ⓒ한양대
    위정재 교수팀은 이런 PFAS 문제를 해결하기 위해 원소 황에 주목했다. 황은 석유 정제 과정에서 연간 700만t이 잉여로 발생하지만, 대부분 보관 문제로 쌓여 있다. 연구팀은 역가황(다량의 원소 황과 유기 가교제를 사용해 황 고분자를 합성하는 방법) 과정을 통해 황을 안정적인 황 고함유 고분자로 합성하고, 이 고분자를 맥신과 복합화해 새로운 마찰대전 발전 소자를 제작했다.

    연구팀은 이번 연구에서 맥신을 황 고함유 고분자의 표면에 균일하게 코팅한 후 열 압착 성형을 해 복합 소재를 제작했다. 그 결과 기존 황 고함유 고분자 기반의 마찰대전 발전 소재보다 8배 이상 높은 전력 밀도를 보였다. 재분쇄와 재열 성형을 반복해도 기계적 물성과 발전 성능이 유의미하게 감소하지 않는 재활용성도 입증됐다.

    이번 연구 논문(High-Performance Yet Sustainable Triboelectric Nanogenerator Based on Sulfur-Rich Polymer Composite with MXene Segregated Structure)은 지난 7일 국제 저명 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스'에 게재됐다. 위정재, 한태희, 이민백 교수가 교신저자로, 한양대 유기나노공학과 조웅비 석박통합과정생이 제1저자, 김성수 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

    이번 연구는 한국 연구재단, 미 공군연구소, 미 육군연구소의 지원을 받아 진행됐다.