SAINT 안성필 교수-전일 교수 공동연구팀, 고투명·다기능성 웨어러블 나노발전기 개발

- 차세대 웨어러블 기기 전기 공급, 움직임 감지 등 기능 기대

▲ (왼쪽부터) 안성필 교수, 김기용 박사과정생, 이상수 박사과정생, 전일 교수

성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 및 전일 교수 공동연구팀(제1저자 성균나노과학기술원 김기용 박사과정, 공동 제1저자 이상수 박사과정)은 압전고분자 나노섬유와 고순도 탄소나노튜브가 코어(core)물질로 구성된 실리콘 탄성중합체 기반의 에너지 수확이 가능한 다기능성 투명 복합소재를 개발했다고 밝혔다.

기존 연구들에서는 투명 나노발전기를 제작하기 위해 은 나노와이어 또는 전기전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 전극으로써 사용하였다. 그러나, 금속 기반 복합소재는 본연의 빛 반사 및 산란으로 인한 불투명성 이슈를 지니고 있으며, 고분자 기반 복합소재는 전기전도성과 기계적 강성이 부족한 재료 역학적 한계를 보여왔다.

안성필 교수와 전일 교수 공동연구팀은 압전 고분자 P(VDF-TrFE)를 전기방사기술로 머리카락 굵기의 200분의 1 수준인 직경 500nm의 나노섬유를 제작한 후, 실리콘 기반 탄성중합체(PDMS)와 혼합하여 고투명 복합소재를 개발하였다. 그리고 통상적인 방법과 차별화된 에어로졸-화학기상증착 (CVD) 합성법으로 제작된 투명 CNT 필름을 전극 소재로 활용하여 고투과성 및 우수한 기계적 특성을 가진 나노발전기를 개발하였다.

본 연구에서 사용된 전기방사 기술과 에어로졸-CVD 합성법은 제조 방법이 간편할 뿐만 아니라, 공정 규모를 다른 기술들에 비해 쉽게 확장가능하다. 이러한 우수한 공정 이점들을 기반으로 앞으로 관련 기술 상용화에도 유리하게 작용할 수 있을 것이라 기대된다. 특히, 이번 연구에서 간단한 화학적 도핑법으로 CNT 전극의 전도성을 약 3.1배 향상할 수 있었다.

개발한 고투명 압전 나노발전기는 상대적으로 약한 외력(운동에너지 F=10N)에서도 10V 이상의 준수한 전압을 발생하는 에너지 수확 성능을 보였으며 약 50,000회 이상의 반복적인 외력 조건에서도 높은 에너지 수확 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성과 안정성을 입증하였다. 또한, 마찰 양전하 성질을 지닌 신체 부위를 통해 외력을 인가했을 시에는 마찰전기에 의한 추가적인 에너지 수확을 통해 최대 26.8V의 높은 에너지 발전성능을 나타내었다.

▲ 투명 압전 나노발전기 실제사진 및 공정 방법 개략도

이는 신체 여러 부위에 부착하여 움직임을 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 변화하는 외력에 따라 전압 신호 또한 민감하게 발생하기 때문에 실시간으로 미세한 인체 움직임을 감지할 수 있다. 즉, 현재 활발하게 연구개발 및 상용화가 진행되고 있는 메타버스 및 가상/증강현실 분야에서 활발하게 응용될 것으로 기대된다.

본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업(2021R1F1A1061404), 우수신진연구사업(2021R1C1C1009200)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 Advanced Functional Materials(IF: 19.924)에 1월 18일 게재되었다.

※ 논문명: Highly Transparent and Mechanically Robust Energy-harvestable Piezocomposite with Embedded 1D P(VDF-TrFE) Nanofibers and Single-walled Carbon Nanotubes

※ 저널: Advanced Functional Materials

※ DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213374