마찰 전기 발전 소재 성능을 13배나 높인 기술이 국내에서 개발됐다.
한국화학연구원(원장 이영국)은 이수연·김태호 박사팀이 이온겔 전기 이중층(iEDL) 및 고내구성 양전하 소재를 적용해 누설전류 최소화, 전력 생산 극대화, 1만회 반복 사용에도 성능 유지 등이 가능한 고출력 마찰 발전 소재 기술을 선보였다고 밝혔다.
정전기는 스마트워치 충전 등 소형기기에서 유용하나 구조적으로 전류가 누설되는 한계가 있고 출력이 낮다. 반복 마찰로 마모 시 성능이 저하되기도 한다.
연구팀은 마찰 소재와 전극 사이에 iEDL 소재를 추가해 전류 누설 문제를 해결하고 전력 발생량을 높였다. iEDL은 전해질과 전극 표면 사이에 형성되는 두 개 전하 층인데, 마찰 후 생성된 전하 상태가 유지되도록 고정하는 역할을 맡았다.
iEDL 소재 적용시 전력 밀도(일정 시간 생산되는 전력의 양)는 13배(2→26W/㎡)로 증가됐다.
이 소재는 기계적 안정성이 뛰어나 찢어지거나 구멍이 생겨도 많은 전기를 생산한다. 1만회 반복 실험 결과 최대 출력 전압 하락 폭이 0.1V 이내에 불과했다.
또 4.7마이크로패럿(μF) 소용량부터 470μF 대용량 기기까지 충전 가능한 성능을 보였다. 500원 동전 크기 마찰발전소자 1개는 50밀리와트(㎽) LED 전구 100개를 밝힐 수 있다. 주변 다양한 전자기기에 적용할 수 있어 향후 활용 가능성이 높다.
연구팀은 후속 연구로 발생 전기를 효율적으로 저장할 수 있는 소자 개발, 고효율 독립 전원 시스템 구축에 성공한다면 2030년경 실용화가 가능할 것으로 예상했다.
이영국 원장은 “기존 연구된 마찰전기 보조 전원기술에 대한 해결책으로 웨어러블 및 사물인터넷(IoT) 기기, 자가전원 센서 등에 활용 영역이 확대될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 논문은 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 9월 표지논문으로 게재됐다.
이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
