이기원 교수(화학공학과), 볏잎 표면을 모방한 웨어러블 마찰전기 나노발전기 개발

 

- 볏잎 표면 특성과 불서 탄성체 미세구조를 이용한 고효율 마찰전기 나노발전기 개발 -

 

- 물, 바람으로 전기를 만드는 인공 나뭇잎과 사람 움직임으로 전기를 생산하는 웨어러블 손목밴드로 활용 가능 -

 

- 국제 저명 학술지 Wiley 출판 Advanced Functional Materials에 논문(IF:18.5, 분야 상위 3.7%) 게재 -

  본교 이기원 교수(화학공학과)는 포항공대 조길원 교수, 울산대 이승구 교수와의 공동연구를 통하여 “볏잎 표면을 모방한 웨어러블 마찰전기 나노발전기 개발”에 성공하여 재료 분야의 국제 저명학술지에 전면 표지 논문(Front Cover)으로 게재되었다.

화학공학과 이기원　교수

  논문 제목은 ‘Anisotropic Fluorinated-Elastomer-Blended Micro-Dominoes for Wearable Triboelectric Nanogenerator(비등방성 불소 탄성체 기반 마이크로 도미노를 활용한 웨어러블 마찰전기 나노발전기 개발)’로, SCI 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials (재료공학분야 JCR 상위 3.7%, IF 18.5)’에 2024년 8월 8일자로 게재됐다.   본 연구에서는 서로 다른 두 물체가 접촉 시 발생하는 대전현상을 이용해 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기(Trioelectric Nanogenerator, TENG)가 최근 활발히 연구되고 있다. 크기가 작고 유연한 TENG는 전자피부, 사물인터넷, 헬스케어, 환경 모니터링 분야에서 휴대가능한 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 이러한 나노 발전기를 실생활에 활용하기 위해서는 에너지 변환효율, 신축성 및 변형성, 구동 안정성, 제조 용이성 등의 다양한 문제들을 해결해야 한다.   이에 최근 본교 화학공학과 이기원 교수와 포항공대 화학공학과 조길원 교수, 울산대 나노에너지화학과 이승구 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 불소 탄성체로 이루어진 미세 도미노 구조체를 이용하여 고효율의 마찰전기 나노발전기를 개발했다.   작은 힘으로도 순차적으로 넘어지는 도미노에서 영감을 얻은 연구팀은 미세 도미노 구조를 소자에 적용하여, 미세 도미노들이 접촉하는 물체의 표면에서 손쉽게 변형되며 넓은 면적으로 물체와 접촉하여, 사람이 움직일 때(주파수 5Hz) 출력 전압 1,290V, 출력밀도 9.8W/m2의 높은 효율로 마찰 전기가 생성되는 것을 확인했다.   뿐만 아니라 연구팀은 나노 발전기의 소재로 불소 탄성체를 사용하여 물과의 접촉을 통해서도 전기 에너지를 생성할 뿐 아니라, 항상 깨끗한 상태를 유지하여 오래 사용 가능하도록 하였다.   특히, 볏잎 표면에 떨어진 물방울처럼, 나노 발전기의 도미노 구조에 떨어진 물방을들은 한 방향으로 쉽게 구르기 때문에, 물방을 하나로도 전기에너지를 수확하여 높은 에너지 변환 효율을 얻을 수 있었다.   이러한 소자 특성을 바탕으로 연구팀은 소자가 바람이나 빗방울에 의해서도 효과적으로 전기를 만드는 인공 나뭇잎으로 활용 가능함을 보였고, 손목 터치 및 흔들기, 손 씻기 등의 행동으로도 전기를 생산할 수 있는 웨어러블 나노 발전기 밴드를 선보였다.   이기원 교수는 “본 연구에서 개발된 나노 발전기는 물, 바람으로부터 높은 효율로 전기를 만들 수 있기 때문에 비바람이 잦은 지역에서 태양 전지를 대신하여 전기 생산에 이용될 수 있고, 앞으로 개발될 많은 웨어러블 기기들과 결합하여 충전함이 없이 휴대 가능한 전원 장치로도 활용될 수 있을 것”을 기대한다고 했다.   이번 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 전면 표지(Front Cover) 논문으로 최근 발표되었으며, 아래 과제들의 지원으로 연구가 수행되었다.   https://doi.org/10.1002/adfm.202470177   - 한국연구재단: 과학기술 정보통신부, 교육부   - 광운대학교 교내연구과제

그림1. 마이크로 도미노 구조의 웨어러블 나노 발전기의 모식도 및 응용 예

 

그림2. 재료분야 권위지 ‘Advanced Functional Materials’ 전면 표지(Front cover) 논문 게재

  출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)