늘리고 굽히면 스스로 전기 생산…정전기 소재 개발

▲신축 정전기 발생소재는 늘림과 굽힘의 물리적 형태변형시 320V(볼트)의 출력전압과 45μA(마이크로암페어)의 출력전류를 발생했다. 외부의 배터리 연결 없이 20개 이상의 LED를 각 형태변형에서 구동시키고 있다. (사진제공=한국화학연구원)

늘리고 굽혔을 때 스스로 전기를 출력할 수 있는 신개념 정전기 소재가 개발됐다.

한국화학연구원(KRICT)은 이수연, 최영민 박사 연구팀이 어떤 형태로 변형해도 스스로 전기를 생산해낼 수 있는 새로운 정전기 소재를 개발했다고 14일 밝혔다.

자가발전은 ‘배터리를 매일 충전하지 않고도 웨어러블 전자기기를 작동할 수는 없을까?’라는 꿈을 실현할 수 있는 기술이다. 신소재 분야에서는 사람의 움직이는 동작을 전기에너지로 변환할 수 있는 신축성 자가발전 소재들이 많은 주목을 받고 있다. 에너지 하베스팅 소자로도 응용될 뿐만 아니라 웨어러블 전자기기, 사물인터넷(IoT) 무선 센서 등에 활용될 수 있어서 전 세계적으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.

자가발전 소재에는 여러 형태가 연구되고 있는데, 특히 정전기를 이용한 연구가 전 세계적으로 활발하다. 정전기를 이용한 자가발전 소재는 보통, 대전특성을 가진 서로 다른 두 가지 물질이 닿았다가 떨어지거나 마찰할 때 생기는 전하의 이동으로 전기를 생산한다.

연구팀은 늘리거나 구부려도 소재 자체의 전도성은 변하지 않고 기하학적인 구조만 변하는 새로운 전극 소재층을 개발하고, 그 위에 대전특성이 강한 폴리우레탄폼을 표면에 코팅해 두 층을 하나의 물질로 융합했다. 표면에 코팅한 우레탄폼은 올록볼록한 돌기로 형성해서, 늘리거나 구부릴 때 마찰 표면적을 최대화해서 정전기가 잘 발생할 수 있도록 했다.

이 소재는 형태 변형이 늘림 하나만 일어났을 때보다, 늘림과 구부림을 동시에 가했을 때 5배 더 많은 전기를 생산해내는 것으로 나타났다. 신체 관절이 늘림과 굽힘이 동시에 일어난다는 것을 고려하면 웨어러블 기기로의 적용에 적합함을 기대할 수 있다. 또 4차 산업혁명 시대에 필수적인 스마트 워치, 헬스케어 밴드 등 웨어러블 기기뿐만 아니라 사물인터넷(IoT)의 자가발전 센서 등에 핵심 소재로 활용될 수 있다.

정전기 소재에서 나온 전기를 에너지 저장 장치인 슈퍼커패시터 또는 배터리에 저장하면, 자주 충전하지 않아도 웨어러블 기기를 오래 쓸 수 있다. 연구팀은 이러한 활용성을 염두에 두고 고효율 슈퍼커패시터 소재 개발, 에너지 발생과 저장이 통합된 모듈 개발 등의 후속 연구를 진행하고 있다.

연구결과는 에너지 분야 권위지 ‘ACS Energy Letters’ 11월호 전면 표지논문으로 게재됐다.