한국기술교육대학교(KOREATECH) 배진우 교수(에너지신소재화학공학부 화학생명공학전공) 연구팀과 한국화학연구원 손은호 박사(계면재료화학공정연구센터) 연구팀이 웨어러블 기기의 자가 발전과 세균 오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 마찰 대전 소재를 개발했다.

 이 소재는 폴리비닐리덴플로우라이드(PVDF) 공중합체에 4차 암모늄기를 함유한 양이온성 단량체를 도입하여 우수한 전력 생산능력과 항균 특성을 구현했다.

 마찰전기 나노발전기는 서로 다른 두 물체의 접촉과 분리 과정에서 발생하는 양(+) 전하와 음(-) 전하의 이동 현상을 이용해 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치다. 외부 전원이 필요하지 않아 웨어러블 장치의 전원 공급원으로 주목받고 있으나, 웨어러블 기기의 보급이 확대되면서 인체와의 지속적인 접촉으로 인한 세균 오염 문제가 대두되고 있다.

 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 원자 이동 라디칼 중합(Atomic transfer radical polymerization, ATRP) 방법을 활용했다. PVDF 공중합체에 4차 암모늄기를 함유한 양이온성 단량체를 도입한 결과, 개발된 소재는 마찰양성(tribopositive) 특성이 증가하여 134 mW/m²의 전력 밀도를 달성했다. 이는 기존 PVDF 공중합체 대비 24.1배 향상된 수준이다. 또한, 황색포도상구균과 녹농균에 대해 99.99%의 우수한 항균 효과를 보였다.

 배진우 교수는 "이번에 개발한 소재는 우수한 마찰전기 출력과 항균 특성을 동시에 구현했다는 점에서 의미가 있다"며 "세균 오염에 취약한 의료기기, 웨어러블 디바이스 등 항균성 자가 발전 소재로 활용될 수 있을 것"이라고 전망했다.

 이번 연구에는 한국기술교육대 우인선 박사과정(공동 제1저자)과 한국화학연구원의 한동제 박사(공동 제1저자), 한국화학연구원의 남의진 연구원(공동저자), 배진우 교수와 한국화학연구원 손은호 박사(교신저자)가 참여했다.

 본 연구는 한국환경산업기술원의 생태모방 기반 환경오염관리 기술개발사업과 한국연구재단의 지자체-대학 협력기반 지역혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 피인용도(IF, Impact Factor) 13.4를 기록한 화학공학 분야의 저명한 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal(JCR 상위 3.8%)'에 게재되었다.