광운대 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 나일론(Nylon-11)에 양이온성 단량체인 Poly-DADMAC을 첨가하여 복합 나노섬유를 제작하고 이를 양이온성 대전물질로 사용하여 고출력의 마찰전기 나노발전기와 별도의 전원 없이도 인체의 움직임을 실시간 모니터링 할 수 있는 무전원 압력센서를 개발했다.

기존의 마찰전기 소재와 달리 개발된 복합 나노섬유는 넓은 표면적, 높은 유전율과 표면 전위, 기계적 강도가 높은 특성을 갖고 있어 다양한 형태의 고출력 나노발전기 및 무전원 센서 플랫폼 제작에 폭넓게 응용될 수 있다. 특히, 고출력의 전기 에너지를 수확할 수 있기 때문에 다양한 휴대 및 웨어러블 기기, 산업에 친환경 전원 및 센서 기술로 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

최근 시장에 출시되고 있는 다양한 웨어러블 기기와 사물 인터넷(IoT) 신제품들의 소모 전력이 낮아짐에 따라 인체의 활동과 주변 환경으로부터 버려지는 물리적/기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 기존 이차전지를 대체할 수 있는 친환경 전원으로 사용하기 위한 에너지 하베스팅 기술이 국내외적으로 매우 활발하게 연구되고 있다. 특히, 인체 활동과 주변 환경(작은 크기의 낮은 주파수의 움직임)에서도 큰 전기를 생산할 수 있고 쉽게 제작할 수 있는 가볍고 간단한 구조의 마찰전기 나노발전기에 대한 연구가 그 중 큰 주목을 받고 있다.

본 연구팀은 나일론(Nylon-11)에 양이온성 단량체인 Poly-DADMAC을 첨가한 후 전기방사 기술을 이용하여 복합 고품질의 나노섬유를 세계 최초로 개발하였고, PVDF-TrFE 기반의 음이온성 나노섬유를 함께 적용하여 고출력의 마찰전기 나노발전기를 제작하였다. 나노발전기의 높은 출력은 제작된 복합나노섬유 표면에서 미세한 쌍극자의 형성으로 인하여 3배나 증가한 축전전하와 유전율 때문이다. 또한, 복합 나노섬유는 순수 나일론 나노섬유 보다 약 6배 이상의 높은 기계적 강도의 고내구성을 나타내었다.

마찰전기 나노발전기는 12 Hz 주파수 및 4 MΩ의 부하 저항 조건에서 최대 7.6 W/m2의 전력밀도의 출력을 나타내었고, 다양한 저전력 웨어러블 기기 및 IoT 제품 등을 직접적으로 충전할 수 있는 전력이다. 또한, 나노 발전기는 0~40 kPa 압력 범위 조건에서 0.01 V/KPa의 높은 압력 감지 민감도를 갖는 무전원 압력 센서로 활용될 수 있음을 입증하였다. 연구팀은 스마트폰 앱을 통해 느리게 혹은 빠르게 걷기, 뛰기, 점프하기 등과 같은 사람의 움직임을 실시간으로 모니터링하는 실험을 성공적으로 시연하였다. 또한 본 연구팀이 개발한 복합 나노섬유와 그 제작 방법은 나노발전기 적용뿐만 아니라, 다양한 플렉시블 센서 및 에너지 저장소자 개발에도 쉽게 활용할 수 있다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)을 받아 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 연구 전문 저널인 엘시비어 (ELSEVIER) 출판의 나노 에너지 (Nano Energy, IF: 17.8)에 게재되었다.