DGIST 김회준 교수, 친환경 소재‘하이브리드 나노 발전기’ 개발

저전력 전자기기의 에너지원과 자가 발전 센서 분야 적용

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수(두 번째 줄 우측)와 연구진. [사진=대구경북과학기술원 제공]

DGIST(총장 국양)는 로봇공학전공 김회준 교수팀이 무연납 다강성 물질을 탑재한 압전(壓電)-마찰전기 하이브리드 나노 발전기를 개발했다고 16일 밝혔다.

이번에 개발된 발전기는 기존 대비 더 높은 출력 성능을 가져, 향후 웨어러블 의료기기를 포함한 다양한 분야에서 활용이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구는 그 우수성을 인정받아 가장 권위 있는 국제 학술지 중 하나인 ‘Nano Energy’에 지난 7월 7일 온라인 게재됐다.

이는 현재 환경오염 물질들로 제작된 전자기기의 배터리를 대체할 친환경 재생 가능 에너지원 개발 연구가 계속되고 있다.

이렇게 개발된 다양한 재생 가능 에너지원 중 표면 간 접촉으로 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 바탕으로 전기적 에너지를 생성하는 ‘마찰전기 나노 발전기(TENG, Triboelectric Nanogenerator)’와 압전 재료가 기계적 에너지를 공급받았을 때 이를 전기적 에너지로 변환하는 ‘압전 나노 발전기(PENG, Piezoelectric Nanogenerator)’는 모두 낮은 전력 출력이 한계점으로 지적돼왔다.

이에 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 무연납, 무독성의 고분자 세라믹 복합 재료인 티탄산 비스무스(Bismuth titanate)와 실리콘 오일(PDMS, Polydimethylsiloxane)을 혼합, 고효율의 하이브리드 압전-마찰전기 나노 발전기를 개발했다.

이때 활용된 티탄산 비스무스는 무독성이며 납이 포함돼있지 않은 친환경 물질로, 신체에 직·간접적으로 적용돼도 해가 없다.
 

Bismuth titanate 기반 하이브리드 압전 마찰전기 나노 발전기로 왼쪽 위가 물질합성과 내부 분극 증폭 메커니즘, 왼쪽 아래는 고분자 세라믹 복합 재료의 유연성, 우측이 압전 마찰전기를 적용한 에너지 하베스터이다. [사진=대구경북과학기술원 제공]

김회준 교수팀이 개발된 나노 발전기는 기존의 마찰전기 나노 발전기와 압전 나노 발전기를 합친 형식으로, 마찰에서 일어나는 에너지와 기계적 운동에서 발생하는 에너지를 모두 전기에너지로 바꾼다.

이를 통해 김 교수팀은 기존의 압전 나노 발전기보다 약 20배, 마찰전기 나노 발전기보다는 약 3배에 달하는 출력 증가했다.

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 “로봇에 적용되는 촉각센서를 연구하면서 압전-마찰전기 나노 발전기에 관심을 끌게 됐다”라며, “우리는 새로운 나노 물질을 합성하기 위한 연구를 계속하고 나노 발전기를 개발하여 자체 구동 센서의 개발을 목표로 연구를 계속할 것”이라고 말했다.

한편, 추가로 김 교수팀은, 개발된 2개의 나노 발전기 유닛을 서로 연결하고 이를 3D 프린터로 만든 구조에 고정한 새로운 구조를 만들었다. 이때, 두 나노 발전기 사이에 작은 공을 넣어 전류 전달이 가능하게 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.