성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 연구팀은 산업용 배관 및 파이프 내부의 공동현상(cavitation)으로 생성된 미세기포(microbubble)를 감지할 수 있으며, 동시에 이러한 미세기포가 지닌 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 고감도 유연 투명 압전 나노발전기를 개발했다고 밝혔다.

유비쿼터스(ubiquitous)한 에너지원을 활용할 수 있는 압전 나노발전기는 화석연료의 고갈 및 환경오염 등의 이슈들에 대응할 수 있는 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 본 연구에서는 전기방사(electrospinning), 전기도금(electroplating), 정전기 스프레이(electrostatic spraying) 및 화학 용액 증착법 (chemical bath deposition) 기술들을 활용하여, 얇고 투명하며 유연성을 지닌 초고감도 압전 나노발전기를 개발하였다. 특히, 미세기포의 물리적인 움직임에 기인한 미세 부력을 감지하고, 이를 전기에너지로 변환할 수 있어, 복잡하고 다양한 크기의 배관 설비를 필요로하는 플랜트 산업 전반에 센싱 및 에너지 하베스팅 소자로서 활용될 수 있을 것이라 연구팀은 기대하고 있다.

※ 공동현상: 빠른 속도로 액체가 운동할 때 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상

※ 미세기포: 대략 100 ㎛ 미만의 직경을 갖는 매우 작은 크기의 기포

※ 압전 나노발전기: 나노구조를 지닌 압전 재료를 이용하여 운동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 에너지 수확 기술

※ 전기방사 : 전기장을 이용하여 고분자 용액을 직경 수백 나노미터 수준의 나노섬유로 생산하는 기술

※ 정전기 스프레이: 전기장을 이용해 액체를 미립화하는 기술

※ 화학 용액 증착법: 수용액 상태의 전구체를 이용하여 재료를 박막에 증착하는 기술

성균나노과학기술원(SAINT) 안성필 교수 연구팀(1저자 최대규 박사과정, 공동 1저자 조홍석 박사)은 전기전도성이 우수한 니켈 마이크로 섬유의 전극 표면에 압전성질의 산화아연 나노와이어를 균일하게 성장시켜, 유연 투명 고감도 압전 나노발전기를 개발하였다고 밝혔다. 본 압전 나노발전기는 10 N의 외력이 가해졌을 때, 35 V의 발전 성능을 보였으며, 특히 미세기포의 움직임에 의한 0.009 N의 초미세 부력에서도 0.04 V의 발전 성능을 나타내었다. 더불어, 약 100,000회 이상의 반복적인 외력이 가해지는 조건에서도 안정적인 발전 성능을 보여, 우수한 기계적 내구성을 입증하였다.

안성필 교수는 “최근에는 다학제 과학기술이 접목된 연구개발이 활발하게 이루어지고 있는 만큼, 다양한 분야 연구자들 간의 활발한 연구지식교류를 통해 앞으로도 혁신적인 연구가 끊임없이 이어지는 것이 중요하다.”라고 말했다.

이번 연구의 1저자 최대규 박사과정 학생은 “일상생활에서 낭비되고 있는 운동에너지를 전기에너지로 수확하는 에너지 하베스팅 연구는 다가올 미래의 패러다임을 변화시키기에 충분한 잠재력을 지니고 있는 연구라고 생각한다.”라고 뜻을 밝혔고, 공동 1저자 조홍석 박사는 “본 연구에서 개발된 초고감도 미세기포 감지 센서 및 압전 나노발전기는 초소형 전자기기의 센서 혹은 발전 용도로 활용될 가능성이 크다고 생각되기 때문에 이에 따른 후속 상업화 연구가 기대된다.”라고 말했다. 참고로 이번 SCI 논문의 주저자인 최대규 학생은 박사과정 초년생이고 공동 1저자 조홍석 박사는 ‘한국연구재단 창의도전연구 과제’에 이번에 선정되어 앞으로 이들의 연구자로서의 많은 활약이 기대된다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 우수신진연구사업(RS-2023-00211303), 중견연구사업(2021R1A2C2007141) 및 나노커넥트사업(2022M3H4A408507611)의 지원을 받아 수행되었다.

본 연구는 재료 분야 상위 5% 이내의 세계적인 학술지인 Advanced Functional Materials (IF: 19)에 8월 30일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Transparent, Flexible, and Highly Sensitive Piezocomposite Capable of Harvesting and Monitoring Kinetic Movements of Microbubbles in Liquid

(저널: Advanced Functional Materials, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202307607)

[ 초고감도 고투명 압전 나노발전기의 제조공정 및 미세기포 감지 실험과 플랜트 산업응용 계략도 ]