성균관대 변도영 교수팀, 세계 최초 유연 나노발전기 설계

성균관대학교는 기계공학부 변도영 교수 연구팀이 세계 최초로 변형 유도 일함수 특성을 활용한 유연 나노발전기 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

이번 연구는 경상국립대 메카트로닉스공학부 조대현 교수 연구팀, 부산대 재료공학부 이승기 교수 연구팀과 공동으로 진행했으며, 에너지 분야의 권위 있는 학술지 'Energy & Environmental Science'에 지난달 23일자로 게재됐다.

생물의학과 웨어러블 기술이 발전하고 디바이스 자체 전원 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 초저주파 진동으로부터 효율적으로 전기를 얻을 수 있는 전력 생산·공급이 필요해지고 있다. 그러나 기존 마찰전기 나노발전기는 0.1㎐ 이하의 초저주파에선 전력 생산·공급의 효율이 급격히 줄어드는 문제가 있었다.

공동연구팀은 기계적 변형을 이용해 금과 유전체층 계면에서의 전위 평형 상태를 파괴해 유도된 일함수 변화에 대한 응답으로 전위 평형을 다시 맞추기 위해 전하 이동을 유도하는 메커니즘을 접목한 나노발전기를 세계 최초로 개발했다.

이 나노발전기는 0.01㎐ 수준의 초저주파 영역에서 2.3㎃/㎡ 전류밀도를, 0.5㎐에선 4.8㎃/㎡를 각각 달성했다. 이는 이전에 보고된 결과를 능가한 최고 수준의 성능이다.

또한 기존 마찰전기 나노발전기의 접촉-분리 반복공정에 의한 마찰손상 문제를 해결했다. 100만 사이클 후에도 성능저하 없이 안정적인 출력을 유지하는 뛰어난 내구성을 입증했다.

이 발전기는 일반적인 시계 끈에 장착할 정도로 얇게 제작할 수 있고, 손가락을 움켜쥐는 것만으로도 커패시터를 충전해 LED 전원 공급과 모스부호 신호 생성이 가능하다. 기존 전원을 사용할 수 없는 위급한 상황에서도 비상 통신을 위한 전력을 생산할 수 있는 혁신적인 방법이다.

변 교수는 "변형에 의해 일함수가 조정될 수 있는 재료에 대한 폭넓은 선택성으로 인해 앞으로 연구·개발(R&D) 방향은 무궁무진하다"며 "이번 기술이 나노발전기 연구의 획기적인 발전을 촉진하고 기술 수준을 전례 없는 수준으로 끌어올릴 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 성균관대 변도영 교수와 경상국립대 조대현 교수가 교신저자, 성균관대 문준영 석박통합과정생, 부산대 이승기 교수가 공동 제1저자, 성균관대 임부시 석박통합과정생이 공저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.