▲ 다공성 계층 구조의 구리 나노시트 박막의 제작 과정과 단면 구조 분석 (좌), 유전체(PDMS)가 구리 나노시트 박막 내부 빈 공간으로 침투한 모습 단면 분석과 실제 소자 이미지(우)(사진=전북대)  © 특허뉴스

일상 속에서 사라지는 줄만 알았던 정전기가 강력한 전기에너지로 되살아났다. 

전북대학교 김태욱 교수 연구팀이 부산대학교와 공동으로 세계 최고 수준의 성능을 갖춘 마찰전기 기반 나노 발전기(Triboelectric Nanogenerator) 기술을 개발해 글로벌 학계에서 큰 주목을 받고 있다. 에너지 하베스팅 분야의 혁신이자, 전자파 차폐·발열 기능까지 동시에 수행하는 ‘차세대 자가발전 플랫폼’이 현실화된 것이다.

연구팀은 단결정 구리 나노시트(Cu Nanosheet Film)에 주목했다. 가로·세로비가 매우 높은 2차원 구조의 이 소재는 필름 형태로 제작할 경우 내부의 약 66%가 빈 공간으로 구성된 다공성 구조를 형성한다. 여기에 실리콘계 고분자인 PDMS를 채워 넣어 전극·유전체 간 접촉면을 비약적으로 확대하는 데 성공했다.

이 독창적 구조는 유전체 내부에 수많은 ‘미세 커패시터’를 만들어 정전용량을 폭발적으로 증가시켰고, 그 결과 기존 구리 박막 기반 발전기 대비 전력 밀도가 무려 590% 향상되었다.

또한 10만 회 이상 반복 작동에도 출력 저하가 전혀 없는 세계 최고 수준의 내구성, 5,000회 이상 구동 후에도 유지되는 30dB 전자파 차폐 성능, 5V 구동만으로 구현되는 59.4℃ 고효율 발열 기능까지 갖추었다.

즉, 에너지 수확·전자파 차폐·유연 발열을 하나의 구조 안에서 구현할 수 있는 다기능 자가발전 플랫폼이 탄생한 것이다. 웨어러블 기기, 자가 구동 센서, 전자파 보호 장비, 유연 발열 모듈 등 다양한 분야에서 즉시 활용 가능한 핵심 원천기술로 평가받는다.

이번 연구는 김대홍 박사과정생(유연인쇄전자전문대학원)이 제1저자로 참여했으며, 세계적 재료과학 학술지 'Advanced Materials' 최신호에 게재되었으며, 단일 재료 조합과 단순한 용액 공정만으로 최고 수준의 성능을 구현한 최초 사례로 평가된다.

김태욱 교수는 “이번 연구는 단일 재료 조합과 간단한 용액 공정만으로 고성능·다기능 자가발전 소자를 구현한 최초의 사례로, 정전기를 고성능 에너지로 탈바꿈시키는 새로운 방식”이라며 “웨어러블·모빌리티·IoT센서 등 차세대 스마트 전자기기의 에너지 자립을 크게 앞당기는 기술”이라고 의의를 설명했다.