	한국생산기술연구원 보 도 자 료
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나노발전기, 탄소소재 첨가해 성능 2배 높인다.

생기원, 레이저 물리공정으로 표면 개질된 탄소나노튜브 제작해 발전 성능↑

신재생에너지재료 권위지「저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이」1월 표지논문 게재

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 펄스레이저 기반의 친환경 물리공정을 활용하여 마찰전기 나노발전기의 전력 성능을 2배가량 높일 수 있는 핵심 탄소소재를 개발했다.

□ 겨울철 정전기처럼 일상생활에서 쉽게 발생하는 사물 간 마찰이나 진동, 사람의 움직임에는 전기로 변환해 사용 가능한 운동에너지들이 숨어있다.

ㅇ 이 때 쓰이는 마찰전기 나노발전기(Triboeletric nanogenerator, TENG)는 서로 다른 두 물체가 접촉하고 분리될 때 만들어지는 양전하와 음전하들의 이동 현상을 활용해 전기를 생산하는 에너지 변환 장치다.

ㅇ 외부 충전이나 배터리 없이도 자가 발전이 가능하다는 장점이 있어, 사물인터넷 센서나 웨어러블 의료장비, 자가발전 전자소자 등 다양한 첨단 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다.

□ 마찰전기 나노발전기는 크게 양전하를 모으는 ‘금속 전극’과 음전하를 모으는 ‘고분자 유전체 필름’으로 구성된다.

ㅇ 기존에는 마찰전기 나노발전기 성능 향상을 위해 마찰면적을 넓히거나, 고분자 유전체 필름에 특정 전기적 상태를 스스로 유지하는 물질인 ‘강유전체’를 첨가제로 혼합하는 연구를 주로 수행해왔다.

ㅇ 하지만 높은 전압값에 비해 전류값이 상대적으로 낮아 여러 응용 분야에 적용하기에는 전력(전류x전압)이 부족했고, 강유전체 나노분말의 경우 인체에 흡수될 수 있어 유해성 논란이 있어왔다.

□ 이에, 생기원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀은 기존 강유전체의 대체물질로서 전기전도성과 기계적 특성이 모두 우수한 탄소나노튜브*에 주목, 이를 독자 개발한 펄스레이저 기반의 친환경 물리공정(Pulsed laser ablation, 이하 PLA)으로 탄소나노튜브 표면을 개질해 전기적 특성을 향상하는 데 성공했다.

* 그래핀이라는 탄소원자 1층을 벽으로 한 원통형 튜브 모양의 물질

ㅇ PLA공정이란 레이저로 탄소소재 표면을 파괴해 불안정한 상태에서 다양한 이종소재와의 결합을 유도하는 물리적 기법으로, 강한 산이나 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이며 공정시간도 단축되는 효과가 있다.

ㅇ 연구팀은 ’20년 9월 펄스레이저를 이용해 탄소나노튜브에서 그래핀 양자점을 제작하는 메커니즘*을 최초 규명, ’21년 3월 수소생성 촉매 제조**에 성공한 이후, 이번 나노발전기 소재개발에도 적용을 시도했다.

* 「꿈의 나노물질 ‘그래핀 양자점’, 새로운 과학적 근거 마련하다」보도자료 배포(’20.11.5부)

** 「수소 촉매, 유해 화학공정 없이 레이저로 만든다.」 보도자료 배포(’21.5.6부)

□ 일반적인 탄소나노튜브는 고분자 유전체와 혼합될 때 골고루 분산되지 않고 뭉치는 현상이 발생하여 그동안 첨가제로써 사용이 제한돼 왔다.

ㅇ 반면 PLA공정으로 탄소나노튜브에 레이저를 조사하게 되면, 파괴된 소재 표면에 풍부한 산소작용기*가 형성되어 고분자 유전체 내에서도 우수한 분산성을 띠게 되며 그에 따라 전류의 흐름도 원활해진다.

* 카르복실기(-COOH), 하이드록실기(-OH)처럼 산소를 포함하고 있는 작용기

ㅇ 실제 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 고분자 유전체 필름을 실험한 결과, 물질의 전기적 성질의 척도인 ‘유전율’이 기존보다 약 250% 이상 향상되었으며, 이를 활용해 제작된 마찰전기 나노발전기의 경우 전압값 170%, 전류값 243%의 성능 개선을 이뤄낸 것을 확인할 수 있었다.

□ 김강민 박사는 “이번 연구결과는 기존 첨가체의 가장 큰 단점인 유독성과 신소재인 탄소나노튜브의 분산도 문제를 모두 해결해낸 청정소재 개발사례“라며, ”향후 지속적인 연구를 통해 웨어러블 디바이스에 착용 가능한 자가충족 마이크로·나노시스템 개발에 힘쓸 계획“이라고 밝혔다.

ㅇ 한편, 이번 연구결과는 한국연구재단의 개인기초연구사업 중견연구과제(’20.9월~’22.2월)의 지원을 받았고, ’22년 1월 신재생에너지재료 분야의 권위지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’의 표지논문으로 게재됐다.

ㅇ 해당 논문에는 생기원 김강민 박사가 교신저자로, 이강표 박사과정이 제1저자로 참여했으며, 생기원 강석현 박사, 경기대 민성욱 교수, 건국대 한혁수 교수가 공동연구에 참여했다.

[참고1] 자료사진 및 설명

참고1		자료사진 및 설명

* ’22년 1월 게재된 생기원 김강민 박사의 저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이 표지논문

*  (좌측부터) 생기원 김강민 박사, 경기대학교 민성욱 교수, 생기원 이강표 박사과정