서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 접촉 대전 (contact electrification) 현상은 주변의 기계적인 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 마찰발전기의 기본 원리로, 이를 이용하면 소형전자기기에 전원을 공급할 수 있고, 전자 피부, 터치 스크린, 의료 기기 및 보안 시스템에서 순간적인 자극을 감지하는 데에도 유용하다.

그러나 두 표면 사이의 물리적 접촉은 재료 마모로 인한 출력 전력의 감소, 기기 교체 필요성, 작동으로 인한 소음 등의 문제점이 제기되어 왔다. 이에 성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 백정민 교수 연구팀은 탄소 동소체인 C60로 기능화된 폴리이미드를 개발하여 기존 마찰 발전기에 비해 4.3배 더 높은 출력과 3배 높은 전하유지효율의 성능을 보이는 비접촉 방식의 고출력 나노발전기를 개발하였다.

이러한 우수한 특성을 바탕으로 세계 최초로 비접촉 방식의 도어락과 자동차 스피드센서에 적용해 우수한 성능과 소자 안정성을 보였다.

또한 연구팀은 열전 하베스팅 연구에서 세계 최초로 접촉 대전 (contact electrification) 현상을 이용하여 열전 소재의 특성 향상 없이 출력 파워를 크게 높이는 새로운 기술을 개발하여 새로운 패러다임을 제시하였다.

열전 에너지 하베스팅은 외부에서 열이 가해질 때 소재 양단에 발생한 온도 차이를 활용해 유용한 에너지를 생산하는 기술이다. 지금까지는 에너지 변환효율을 높이기 위해 Bi2Te3, SnSe, PbTe 등 열전소재의 제백 계수, 열전도도, 전기전도도 등의 특성 향상에 집중했지만, 여전히 매우 낮은 출력 전압으로 인해 상용화에 어려움이 있었다.

이런 한계를 돌파하고자 연구팀은 상온에서 ZT(열전성능지수) 값이 가장 높은 BiSbTe 기반 열전 소자의 저온부에 마찰대전 효과로 음전하를 갖는 폴리이미드 계열의 폴리머 층을 생성했다. 그 결과 출력 파워가 2배 이상 증가했으며, 세계 최고의 출력 전압(기존보다 50% 증가)을 달성했다.

백정민 교수는 “본 연구는 접촉 대전 현상을 이용하여 안정적이며 지속적인 에너지를 생산할 수 있다는 보여준 사례로 향후 에너지 하베스팅 분야에서의 성공 가능성을 크게 높여준 기술이다”라고 밝혔다.

이러한 연구는 에너지 분야 세계적 권위지인 Energy & Environmental Science (IF 30.287) 및 ACS Energy Letters (IF: 19.003)에 각각 온라인 게재되었다.