한기대, 배터리 없는 IoT 전원 기술 성능 3배 향상

PVDF 구조 한계 극복한 마찰대전 나노발전 신소재 개발

PVDF/Si-HBP-G1 전기방사 섬유 복합체 기반 TENG 개략도/한기대

한국기술교육대학교 연구진이 표준 전원 소재인 PVDF의 구조적 한계를 개선해 출력 성능을 최대 3배 끌어올린 마찰대전 나노발전 신소재를 개발했다.

한기대는 배진우 교수(에너지신소재화학공학부) 연구팀이 인도 벨로르공과대학교(VIT)와의 국제 공동연구를 통해 고출력 마찰전기 나노발전(TENG)용 신소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀에 따르면 마찰전기 나노발전기는 물질 간 접촉과 분리 과정에서 발생하는 정전기를 전기에너지로 변환하는 기술로, 배터리 없이 구동 가능한 IoT 센서와 웨어러블 기기의 전원으로 활용 가능하다. 그러나 기존 PVDF 기반 소재는 전기활성 β상 형성에 한계가 있어 출력 향상에 제약이 있었다.

연구팀은 PVDF에 실리콘 기반 가지형 폴리에스터(Si-HBP-G1)를 결합하는 구조 제어 방식을 적용했다. 이 고분자는 PVDF와 수소결합을 형성해 균일하게 분산되며, 기존 무기 나노입자 방식에서 나타났던 응집 문제를 해소했다.

새롭게 개발된 소재는 개방전압 76V, 단락전류 2.1A, 전력밀도 0.035W/㎡를 기록했다. 이는 순수 PVDF 대비 전압은 3.5배, 전류는 3배 향상된 수치다. 실제 소자 실험에서는 LED 40개 동시 점등과 디지털 스톱워치 구동이 확인됐다.

분자동역학(MD) 시뮬레이션 분석 결과, Si-HBP-G1 첨가 시 PVDF의 β상 전환 속도는 최대 2배 빨라졌고, β상 함량도 78.1%에서 85.4%로 증가한 것으로 나타났다. 연구팀은 가지형 고분자 구조가 PVDF 사슬 정렬을 촉진해 전하 발생 효율을 높인 것으로 분석했다.

배진우 교수는 "복잡한 무기 첨가제 없이도 고분자 구조 제어만으로 PVDF 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증했다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업, 교육부 BK21 사업, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 Advanced Composites and Hybrid Materials 최신호에 게재됐다.

충청취재본부 이병렬 기자 lby4426@asiae.co.kr