성균나노과학기술원 안성필 교수 및 약학대학 김기현 교수 공동연구팀,

천연물을 이용한 고효율 나노발전기 개발

차세대 웨어러블 전자기기의 전기공급원으로 활용이 가능한 항균 나노발전기

▲ 왼쪽부터 김기현 교수, 박도권 성균나노과학기술원(SAINT) 연구원, 안성필 교수

▲ 약학대학 홍주현 박사후연구원(공동 제1저자)

성균나노과학기술원 안성필 교수 및 약학대학 김기현 교수 공동연구팀(제1저자 성균나노과학기술원 박도권 연구원, 공동 제1저자 약학대학 홍주현 연구원)은 자연에서 유래한 항균 활성을 보이는 천연자원과 생체적합 고분자를 새롭게 혼합하여 웨어러블 전자기기의 전기공급원으로 활용 가능한 고효율 나노발전기를 개발했다고 밝혔다.

진동, 충격, 굽힘 등의 다양한 운동에너지로부터 전기에너지를 얻을 수 있는 나노발전기는 사람들의 일상생활 속에서 발생하는 크고 작은 운동에너지를 인간에게 유용한 전기에너지 변환할 수 있어 차세대 신재생 에너지원으로서 최근 크게 주목받고 있다. 그리고, 이를 사람이 착용 가능한 차세대 웨어러블 전자기기의 전기공급원으로 활용하고자 하는 연구가 최근 몇 년 사이에 굉장히 활발히 이루어지고 있다.

나노발전기 중에서도 소재 간에 접촉에 의한 마찰로부터 전기에너지를 수확하는 기술을 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator)라고 부른다. 이러한 마찰전기 나노발전기를 사람이 착용이 가능한 웨어러블 전자기기의 전기공급원으로 사용하기 위해서는 크게 2가지 기술 요소들이 필요하다. 첫 번째는 사람의 움직임으로부터 발생하는 마찰운동에너지를 가장 효율적으로 전기에너지로 변환할 수 있게끔 하는 접근 방법이다. 두 번째는 사람 피부와 바로 접하는 곳에 부착해서 사용해야 하기 때문에 피부에 대한 독성이 낮아야 하고 외부로부터 전파될 수 있는 균에 대한 항균 능력이 필요하다.

안성필 교수와 김기현 교수 공동연구팀은 항균 작용을 지닌 느릅나무 껍질 추출물과 피부무독성 생분해 고분자인 폴리카프로락톤(PCL)을 합성한 후 이를 직경 100nm 수준(머리카락 굵기의 1000분의 1 수준)의 나노섬유로 이루어진 부직포로 개발하였다. 그리고 이렇게 제작한 천연물 기반 부직포를 마찰전기 나노발전기 소재로 활용하였다.

개발한 천연물 기반 마찰전기 나노발전기를 신발 깔창에 적용했을 때 사람이 걷거나 뛸 때 걸음당 최대 80V의 전기에너지를 얻을 수 있었고 동시에 적용된 천연물(느릅나무 껍질 추출물)이 지닌 항균 능력을 통해 무좀균도 억제할 수 있었다.

안성필 교수는 “부직포를 구성하는 섬유의 직경이 얇을수록 더욱 많은 마찰면적을 지닌 것에 착안하여 우리 연구실에서 독자적으로 보유한 용액방사 기술 및 세계 최고 수준의 나노섬유 제조 노하우를 바탕으로 직경 100nm의 초미세 섬유들로 구성된 천연물 부직포를 개발하였다.”라고 말했다.

또한 김기현 교수는 “본 연구에서 적용된 천연 소재인 느릅나무 껍질은 ‘유근피’라는 한약재로 예로부터 위장관 관련 질환 및 염증 완화, 이뇨 작용에 사용되어왔다. 또한 느릅나무 껍질은 천연 항균 소재로도 주목받고 있는데 본 연구는 한약재로 사용되는 천연자원을 마찰전기 나노발전기에 적용하여, 그 응용성 범위를 확대한 점에 큰 의의가 있다”라고 말했다.
 
마지막으로 이번 연구의 제1저자인 박도권 박사과정 학생은 “현재 나노발전기가 미래 친환경 전기에너지원으로 연구되기 위해서는 아직 해결되어야 할 과제가 많다”며 “본 연구가 친환경 나노발전기 연구의 새로운 방향성을 재시해 주길 바란다”고 말했다.

본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업(2021R1F1A1061404), 기초의과학연구센터(MRC)사업(2019R1A5A2027340), 중견연구자지원사업(2021R1A2C2007937)의 지원을 받아 수행되었다.

이번 연구는 에너지분야 세계적인 학술지인 나노에너지(Nano energy, IF: 19.069)에 6월 1일 게재됐다.

▲ 천연물 기반 고효율 마찰전기 나노발전기