기계공학부 변도영 교수 연구팀, 세계 최초 변형 유도 일함수 특성 활용, 유연 나노발전기 설계

- 0.01Hz 수준의 초저주파 영역에서 2.3mA/m2 전력밀도 달성

- 에너지 분야 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ 게재

▲ (왼쪽부터) 성균관대 변도영 교수(교신저자), 경상국립대 조대현 교수(교신저자),
성균관대 문준경 석박통합과정생(제1저자), 성균관대 임부시 석박통합과정생(공저자)

기계공학부 변도영 교수 연구팀은 경상국립대학교 조대현 교수(메카트로닉스공학부) 연구팀, 부산대학교 이승기 교수(재료공학부) 연구팀과의 공동연구를 통해 세계 최초 변형 유도 일함수 특성을 활용한 유연 나노발전기 개발에 성공했다.

생물의학 및 웨어러블 기술이 발전하고 디바이스 자체 전원 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 초저주파 진동으로부터 전기를 얻을 수 있는 효율적인 전력 생산 및 공급의 필요성이 대두되었다. 그러나 기존 마찰전기 나노발전기는 0.1Hz 이하의 초저주파에선 전력 생산 및 공급의 효율이 급격히 줄어드는 문제가 있었다.

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

이 나노발전기는 0.01 Hz 수준의 초저주파 영역에서 2.3mA/m2 전류밀도를 달성했고 0.5 Hz에선 4.8mA/m2를 달성하여 이전에 보고된 결과를 훨씬 능가한 최고 수준의 성능을 보여주었다. 또한, 기존 마찰전기 나노발전기의 접촉-분리 반복공정에 의한 마찰손상 문제를 배제, 1,000,000 사이클 후에도 성능저하 없이 안정적인 출력을 유지해 뛰어난 내구성을 입증하였다.

이 발전기는 일반적인 시계 끈에 장착할 수 있을 정도로 얇게 제작 가능하고, 손가락을 움켜쥐는 것만으로도 커패시터를 충전하여 LED 전원 공급 및 모스부호 신호 생성이 가능하다. 기존 전원을 사용할 수 없는 위급한 상황에서 비상 통신을 위한 전력을 생산할 수 있는 혁신적인 방법을 제시한 셈이다.

변도영 교수는 “변형에 의해 일함수가 조정될 수 있는 재료에 대한 폭넓은 선택성으로 인해 향후 연구 개발 방향은 무궁무진”하다며 “이번 기술이 나노발전기 연구의 획기적 발전을 촉진하고 기술 수준을 전례 없는 수준으로 끌어올릴 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구는 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구팀의 이번 연구성과는 에너지 분야에서 권위있는 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’(IF: 32.4) 에 8월 23일자 게재되었다.

※ 논문명: Strain-induced electrification-based flexible nanogenerator for efficient harvesting from ultralow-frequency vibration energy at 0.5–0.01 Hz

※ 논문링크: https://doi.org/10.1039/D4EE02225D

※ 저자: 문준경 석박사통합과정(공동1저자, 성균관대 기계공학부), 이승기 교수(공동1저자, 부산대 재료공학과), 임부시 석박사통합과정(공저자, 성균관대 기계공학부), 변도영 교수(교신저자, 성균관대 기계공학부), 조대현 교수(교신저자, 경상국립대 메카트로닉스공학부)