기계공학부 최경후 교수 연구팀(제 1저자 트렁 루 티엔)은 경희대학교 기계공학과 이영훈 교수 연구팀과 협업해 하이드로젤 전극의 최대 약점인 건조한 환경에서의 성능 저하를 ‘코스모트로픽 이온 임베딩’을 통해 해결하는 전략을 제시했다.

소듐 설파이트(SO₄²⁻/SO₃²⁻)를 활용해 내부 결정 도메인과 표면 방전 억제층 (Charge-Blocking Layer, CBL)을 동시에 형성함으로써, 건조한 환경에서도 기계적 안정성과 마찰대전출력이 동시에 향상되는 마찰대전 나노발전(Triboelectric Nanogenerator, TENG) 기술을 구현했다.

그 결과, 코스모트로픽 공정을 통해 제작한 TENG는 전력밀도를 기존 대비 3배 이상 향상시켰고 700%의 연신에도 안정적인 출력을 보였다.

또한, 연구팀은 개발한 하이드로젤의 15000회 접촉-분리 과정에서도 안정적인 출력을 유지함을 보였으며 50 °C의 환경에서 6시간 노출 및 30일간 실온 보관 후에도 안정적인 출력을 유지함을 보여 수분 증발로 성능이 급락하는 하이드로젤 전극의 약점을 극복했음을 입증했다. 이러한 특성은 수분 증발로 이온이 농축되며 국소 분극 영역이 형성되고, CBL이 전하 누설을 억제해 반응 변형에 지속적으로 응답하는 데 기인한다고 설명했다.

연구 책임자인 최경후 교수는 “유연성, 신축성이 뛰어난 하이드로젤 전극은 건조한 환경에서 그 성질을 잃어버려 한계가 명확했지만 이번 연구로 그 한계를 극복했다는 점에서 의미가 크다”라며 “이 기술을 활용해 고출력, 고안정성 에너지 하베스팅 기술을 개발하고 웨어러블 디바이스 기술과 지속가능한 에너지 시스템 기술에 적용하는 연구를 지속할 계획이다”라고 밝혔다.

본 연구는 4단계 BK21 인간 중심 융합기계솔루션 미래인재양성 교육연구단과 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행되었으며 JCR 상위 3% 저널인 Chemical Engineering Journal (IF:13.2)에 2025년 8월 게시되었다.

논문명: Kosmotropic ions embedded hydrogel for significantly enhancing deformability and performance of iontronic triboelectric nanogenerators

저널명: Chemical Engineering Journal

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167062