한국생산기술연구원(이하 생기원)은 펄스레이저 기반의 친환경 물리공정을 활용해 '마찰전기 나노발전기'의 전력 성능을 2배 가량 높일 수 있는 탄소소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

마찰전기 나노발전기(TENG)는 서로 다른 두 물체가 접촉하고 분리될 때 만들어지는 양전하와 음전하들의 이동현상을 활용해 전기를 생산하는 에너지 변환 장치다.

충전이나 배터리 없이 자가발전이 가능해 사물인터넷 센서나 웨어러블 의료장비, 자가발전 전자소자 등 다양한 분야에 활용할 수 있다.

크게 양전하를 모으는 '금속 전극'과 음전하를 모으는 '고분자 유전체 필름'으로 구성되는 마찰전기 나노발전기의 성능 향상을 위해 마찰면적을 넓히거나 고분자 유전체 필름에 특정 전기적 상태를 스스로 유지하는 '강유전체'를 첨가제로 사용해 왔다.

하지만 높은 전압값에 비해 전류값이 상대적으로 낮고 전력이 부족했으며 강유전체 나노분말의 경우 인체에 흡수될 수 있어 유해성 논란이 있어왔다.

이에 따라 생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀은 기존 강유전체의 대체물질로 전기전도성과 기계적 특성이 우수한 탄소나노튜브에 주목, 독자 개발한 펄스레이저 기반의 친환경 물리공정(PLA)으로 탄소나노튜브 표면을 개질해 전기적 특성을 향상시키는 데 성공했다.

PLA공정은 레이저로 탄소소재 표면을 파괴해 불안정한 상태에서 다양한 이종소재와의 결합을 유도하는 기법으로 강한 산이나 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이며 공정시간도 단축되는 효과가 있다.

이에 앞서 연구팀은 지난 2020년 9월 펄스레이저를 이용해 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점을 제작하는 메커니즘을 최초 규명한 뒤 지난해 3월에는 수소생성 촉매 제조에 성공했다. 이어 이번에 펄스레이저를 이용해 나노발전기 소재를 개발했다.

일반적인 탄소나노튜브는 고분자 유전체와 혼합될 때 뭉치는 현상이 발생해 첨가제로 사용이 제한돼 왔지만 PLA공정으로 탄소나노튜브에 레이저를 조사하면 파괴된 소재 표면에 풍부한 산소작용기가 형성돼 고분자 유전체에서 우수한 분산성을 갖게돼 전류의 흐름이 원활해진다.

연구팀이 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 고분자 유전체 필름을 실험한 결과, 물질의 전기적 성질에 대한 척도인 ‘유전율’이 기존보다 약 250% 이상 향상됐다.

또 이를 활용해 제작된 마찰전기 나노발전기는 전압값 170%, 전류값 243%의 성능이 각각 개선되는 것도 확인됐다.

한국연구재단의 지원으로 진행된 이번 연구결과는 지난 1월 신재생에너지재료 분야의 권위지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’의 표지논문으로 게재됐다.(논문명: A high-performance PDMS-based triboelectric nanogenerator fabricated using surface-modified carbon nanotubes via pulsed laser ablation)

생기원 김강민 박사는 "이번 연구는 기존 첨가체의 가장 큰 단점인 유독성과 신소재인 탄소나노튜브의 분산도 문제를 모두 해결해 낸 청정소재 개발사례"라며 "향후 지속적인 연구를 통해 웨어러블 디바이스에 착용 가능한 자가충족 마이크로·나노시스템 개발에 힘쓸 계획"이라고 말했다.