운동에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있는 압전나노발전기는 화석연료를 필요로하지 않은 차세대 친환경 에너지기술로써 최근 크게 주목받고 있다. 기존 연구들과는 달리 본 압전 나노발전기는 우수한 투명성 및 기계적 내구성을 포함하고 있어 다양한 산업분야에 널리 활용될 수 있을 것이라 기대된다. 특히, 신체 굽힘 움직임 등을 통해 전기에너지를 생산하는 본 압전나노발전기는 자가발전형태의 고감도 움직임 감지 센서로써 활용될 수 있으며, 이를 통해 차세대 헬스케어 웨어러블 전자기기 관련 분야에 사용될 수 있을 것이라 예상된다.

성균나노과학기술원 안성필 교수 및 전일 교수 공동연구팀(제1저자 성균나노과학기술원 김기용 박사과정, 공동 제1저자 이상수 박사과정)은 압전고분자 나노섬유와 고순도 탄소나노튜브가 코어(core)물질로 구성된 실리콘 탄성중합체 기반의 에너지 수확이 가능한 다기능성 투명 복합소재를 개발했다고 밝혔다.

기존 연구들에서는 투명 나노발전기를 제작하기 위해 은 나노와이어 또는 전기전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 전극으로써 사용하였다. 그러나, 금속 기반 복합소재는 본연의 빛 반사 및 산란으로 인한 불투명성 이슈를 지니고 있으며, 고분자 기반 복합소재는 전기전도성과 기계적 강성이 부족한 재료 역학적 한계를 보여왔다.

안성필 교수와 전일 교수 공동연구팀은 압전 고분자 P(VDF-TrFE)를 전기방사기술로 머리카락 굵기의 200분의 1 수준인 직경 500 nm의 나노섬유를 제작한 후, 실리콘 기반 탄성중합체(PDMS)와 혼합하여 고투명 복합소재를 개발하였다. 그리고 통상적인 방법과 차별화된 에어로졸-화학기상증착(CVD) 합성법으로 제작된 투명 CNT 필름을 전극 소재로 활용하여 고투과성 및 우수한 기계적 특성을 가진 나노발전기를 개발하였다.

본 연구에서 사용된 전기방사 기술과 에어로졸-CVD 합성법은 제조 방법이 간편할 뿐만 아니라, 공정 규모를 다른 기술들에 비해 쉽게 확장가능하다. 이러한 우수한 공정 이점들을 기반으로 앞으로 관련 기술 상용화에도 유리하게 작용할 수 있을 것이라 기대된다. 특히, 이번 연구에서 간단한 화학적 도핑법으로 CNT 전극의 전도성을 약 3.1배 향상할 수 있었다.

이번에 개발한 고투명 압전 나노발전기는 상대적으로 약한 외력(운동에너지 F = 10 N)에서도 10 V 이상의 준수한 전압을 발생하는 에너지 수확 성능을 보였다. 더불어, 약 50,000회 이상의 반복적인 외력 조건에서도 높은 에너지 수확 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성과 안정성을 입증하였다. 또한, 마찰 양전하 성질을 지닌 신체 부위를 통해 외력을 인가했을 시에는 마찰전기에 의한 추가적인 에너지 수확을 통해 최대 26.8 V의 높은 에너지 발전 성능을 나타내었다.

신체 여러 부위에 부착하여 움직임을 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 변화하는 외력에 따라 전압 신호 또한 민감하게 발생하기 때문에 실시간으로 미세한 인체 움직임을 감지할 수 있다. 즉, 현재 활발하게 연구개발 및 상용화가 진행되고 있는 메타버스 및 가상/증강현실 분야에서 활발하게 응용될 것으로 기대된다.

안성필 교수는 “성균나노과학기술원(SAINT)에는 연구 활동이 활발한 젊은 교수진들이 우애 깊은 관계를 맺고 있어 다양한 방향으로 공동연구가 진행되고 있으며, 본 연구 성과 또한 그중 하나로 앞으로 더욱 혁신적인 연구 성과가 기대된다.”라고 말했다.

또한, 전일 교수는 “본 공동연구는 각기 다른 장점을 지닌 두 연구실이 하나의 새로운 연구 분야로 기술을 융합할 수 있는 인상적인 기회였으며, 안성필 교수 연구진은 「CNT 기반의 투명전극」, 전일 교수 연구진은 「압전 에너지 하베스팅 소자」로 연구 분야를 확장할 수 있는 계기가 되었다.  ”라고 말했다.

마지막으로 이번 연구의 제1저자인 김기용 박사과정 학생은 “압전나노발전기는 발전성능을 향상시킬 수 있는 가능성이 앞으로 무궁무진하며 다양한 관점으로 연구가 진행되어야 한다.”며, 공동 제1저자 이상수 박사과정 학생은“본 연구는 CNT가 나노발전기의 단일전극으로 활용된 첫 보고이며, 투명 나노발전기 연구의 새로운 방향성을 제시해 주길 바란다.”고 말했다.

본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업(2021R1F1A1061404), 우수신진연구사업(2021R1C1C1009200)의 지원을 받아 수행되었다.

본 연구는 SKKU 논문대상에서 우수상을 수상했던 성과를 기반으로 재료 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.924)에 1월 18일 게재되었으며, 본 SCI 논문의 주저자는 박사과정 초년생이기에 앞으로 이들의 연구 활약이 더욱 기대된다.

※ 논문명: Highly Transparent and Mechanically Robust Energy-harvestable Piezocomposite with Embedded 1D P(VDF-TrFE) Nanofibers and Single-walled Carbon Nanotubes

(저널: Advanced Functional Materials, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213374)

▲ 투명 압전 나노발전기 사진 및 공정 방법

▲ 고투명 압전, 전극 소재 사진 및 다기능성 나노발전기 성능 결과