투명하고 유연한 에너지 발전 소자 개발

- 단순 구조 소자로 차세대 전원 공급장치 및 촉각 터치센서 활용 가능성 실마리

축성 폴리염화비닐1) 고분자 겔을 응용한 마찰전기 나노발전기2)를 구현하여, 정전기로부터 얻은 에너지로 위치와 압력을 인식할 수 있는 촉각센서가 국내 연구진에 의해 소개됐다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 이주혁 대구경북과학기술원 교수 연구팀이 배진우 한국기술교육대학교 교수 연구팀과 협력하여 투명하고 신축성 있는 고분자 겔 단일층으로 구성된 마찰전기 나노발전기를 개발했다고 지난달 3일 밝혔다. 이는 에너지 발전 소자로써 기계적 에너지를 수확할 수 있을 뿐 아니라, 전극 그리드 패턴3) 없이도 임의의 위치를 터치하면 그 위치를 감지할 수 있는 촉각센서로도 구현 가능했다.
  최근 웨어러블, 스트레처블 전자기기의 다양화로 인해 신축성 있는 전자기기를 구현하려는 시도가 활발해지고 있으며, 이에 활용 가능한 전원 공급 장치의 개발 또한 활발하게 이루어지고 있다. 특히 마찰전기 나노발전기는 압력, 진동, 풍력 등의 버려지는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환할 수 있는 소자로써 전원 공급 장치로의 활용 가능성에 대해서도 주목을 받고 있다.
  하지만 기존의 마찰전기 나노발전기는 기판, 전극, 유전소재 등 최소 2가지 이상의 층으로 이루어져 있어 두께가 두꺼울 뿐 아니라 유연성이나 투명성에 제한이 있으며 복잡한 제작공정을 이용해왔다.
  이에 연구팀은 가소제4)가 포함된 폴리염화비닐 겔을 사용하여 투명하면서도 매우 잘 늘어나는 한 개 층의 고출력 마찰전기 나노발전기 개발에 성공했다. 이는 기계적 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환할 수 있을 뿐만 아니라, 접촉에 의한 에너지 발전 효율도 향상됨을 확인하였다. 또한, 촉각센서의 위치 감지를 위해 필수적인 전극 그리드 패턴 없이도 접촉 거리에 따라 마찰전기 출력이 변하는 특성을 활용, 접촉한 위치나 압력 등의 감지가 가능한 촉각 센서로의 활용 가능성을 보였다.
  연구팀은 개발한 에너지 발전 소자가 투명하고 잘 늘어나는 특성을 가지고 있어 미래 유연전자소자의 에너지원으로 활용 가능성을 기대하고 있으며, 구조적으로 간단해 공정비용을 낮출 수 있어 향후 지속적인 연구를 통해 AR/XR 등 가상현실, 전자스킨, 웨어러블 장치 관련 분야에도 적용 가능할 것으로 기대하고 있다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수신진연구, 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘Advanced Science’ 온라인판에 5월 26일 게재됐고, 표지 논문으로 선정됐다.

1. 연구의 필요성
액추에이터, 트랜지스터, 전자 피부, 스마트 센서 등 다양한 분야에서 신축성 있는 전자기기를 구현하려는 시도가 활발해지고 있으며 이러한 소자에 에너지를 공급하기 위하여 신축성/유연성 전원공급장치 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 지속적인 에너지 공급과 더불어 인체 부착이 가능하며 투명하고 생체 친화적 특성이 요구되고 있다. 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기인 마찰전기 나노 발전기는 전원 공급장치로 많은 주목을 받고 있다. 기존 마찰전기 나노발전기는 기판, 전극, 유전소재 등 2가지 이상의 층으로 이루어져 있어 두께가 두꺼우며 유연성/투명성에 제한이 있고 복잡한 공정방식을 이용하고 있다.

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