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한국화학연구원, 성능 100배 향상시킨 유연압전소재 개발
  • 박희범 과학기술전문기자
  • 승인 2018.06.18 10:10
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성능을 100배 향상시킨 새로운 유연압전소재를 개발한 한국화학연구원의 이수연, 정선호, 최영민 박사.(왼쪽부터)

전기 생산 능력을 획기적으로 개선한 유연압전 소재가 개발됐다.

한국화학연구원 이수연, 정선호, 최영민 박사 연구팀은 움직이거나 휘어지면 스스로 전기를 생산해낼 수 있는 새로운 압전 소재를 개발했다고 18일 밝혔다.

이 소재는 화학적 처리를 하지 않은 소재보다 100배 더 많은 전기를 생산해낼 수 있다.

자가발전은 ‘배터리를 매일 충전하지 않고도 웨어러블 전자기기를 작동할 수는 없을까?’라는 꿈을 실현시킬 수 있는 기술이다. 신소재 분야에서는 사람의 움직이는 동작을 전기에너지로 변환할 수 있는 유연 자가발전 복합 소재들이 많은 주목을 받고 있다.

에너지 하베스팅 소자로도 응용될 뿐만 아니라 웨어러블 전자기기, 사물인터넷(IoT) 무선 센서 등에 활용될 수 있기 때문에 전 세계적으로 연구가 활발하게 진행되고 있다.

에너지 하베스팅은 일상생활에서 버려지거나 소모되는 힘, 압력, 진동과 같은 에너지를 모아 전기에너지로 변환해주는 신재생 에너지 발생 기술이다.

유연 압전 소재는 보통 여러 물질을 섞어서 만든다. 압력을 받으면 전기를 스스로 생산해내는 특성 즉 ‘압전 특성’을 가진 물질과, 탄성을 가진 고분자 물질을 섞는 것이 일반적이다.

하지만 기존 기술로는 섞인 물질 간에 결합이 없고 입자들이 고르게 분산되지 않아 압력을 줘도 전기를 많이 발생시킬 수 없었다.

연구팀은 세라믹 나노 입자와 고분자 물질을 화학적으로 단단하게 결합하는 기술을 개발해, 화학적 처리를 하지 않은 소재보다 성능이 100배 향상된 신소재를 만들었다.

한국화학연구원 연구그룹의 아이디어를 적용한 유연 압전복합소재는 굽힘의 물리적 형태변형시 65 V의 출력전압과 1.6 μA의 출력전류를 발생시킨다. 외부의 배터리 연결 없이 20개 이상의 LED를 구동시킬 수 있다.

연구팀은 압전 특성을 띠는 세라믹 나노입자에 ‘아민’ 화학 작용기를 붙여주고, 이 작용기에 잘 붙을 수 있는 유연한 블록공중합체 고분자 물질을 찾아냈다. 이 두 물질을 혼합하고 열처리하면 화학적으로 단단하게 결합되고 입자가 고르게 분산된 유연 압전 신소재를 만들 수 있다.

이 신소재는 고분자 필름 안에 세라믹 나노입자들이 사이사이 박혀있는 형태를 띤다.

연구팀은 얼마나 많은 나노입자가 고분자 필름 안에 들어가야 최대한 많은 양의 전기를 출력해낼 수 있을지에 대한 적정량도 산출했다.

연구결과는 에너지 분야 최고 권위지 ‘Energy & Environmental Science’ 6월호 표지논문으로 게재됐다.

‘에너지와 환경과학’은 영국에서 발간하는 에너지 분야 학술지다. 2017년도 피인용지수는: 29.518이다.

이번에 개발된 신소재는 4차 산업혁명 시대에 필수적인 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT)의 무선 센서 등에 핵심 소재로 활용될 수 있다. 압전 소재에서 나온 전기를 축전기 또는 배터리에 저장하면, 자주 충전하지 않아도 웨어러블 기기를 오래 쓸 수 있다.

연구팀은 이러한 활용성을 염두에 두고 유연 축전기 소재 개발, 균일한 전기 출력이 가능한 자가발전 소재 개발 등의 후속 연구를 진행하고 있다.

화학(연) 이수연 박사는 “이번에 개발한 고효율 에너지 발전소재는 압전나노입자와 고분자 사이의 화학적인 결합을 새롭게 디자인하여, 기존 소재의 한계를 극복하고 고출력 에너지 하베스팅 분야에 활용할 수 있다는 데 큰 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다.

한국화학연구원이 개발한 새로운 유연 압전복합소재는 굽힘의 물리적 형태변형시 압전입자의 기능화를 하지 않은 경우 대비 100배 이상의 출력전압과 출력전류를 발생시킬 수 있다.

최영민 박사는 “관련 기술은 한국·미국·유럽·중국에 특허권리를 확보했으며, 4차 산업혁명에 필수적인 자가발전 소재로 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌연구실지원사업 (GRL) 및 국가과학기술연구회의 출연(연) 기관고유사업으로 수행됐다.

 

박희범 과학기술전문기자  snews@s-news.kr

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