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출력 20배 높인 '마찰전기 발전기' 기술 개발

백정민·양창덕 UNIST 교수팀, 서로 다른 고분자 결합 신소재 개발
"소재의 유전상수 높이면 출력 높아져"···'사이언스 어드밴스'에 발표
A. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체의 합성 과정 및 용액, B. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체의 유전 상수, C. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체의 유전 손실률 <자료=UNIST 제공>A. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체의 합성 과정 및 용액, B. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체의 유전 상수, C. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체의 유전 손실률 <자료=UNIST 제공>

국내 연구진이 소재의 전기적 특성을 바꿔 출력을 20배 높이는 기술을 개발했다. 

UNIST(총장 정무영)는 백정민 신소재공학부 교수팀이 양창덕 에너지 및 화학공학부 교수팀과 공동으로 고분자 신소재와 금속 전극을 마찰시켜 전기를 생산하는 고효율 마찰전기 발전기를 개발했다고 29일 밝혔다. 

마찰전기 발전기는 두 물체가 스칠 때 만들어지는 전하 불균형을 이용해 전기를 만든다. 서로 다른 물체가 접촉하면 각 물체에 있는 음전하와 양전하가 이동하기 때문에 두 물체가 분리될 때 각 물체에 전하 불균형이 생긴다. 

불균형으로 인해 전자가 이동하는 것이 전류다. 마찰전기 발전기는 이 전류를 수확하는 일종의 장치에 해당한다. 마찰전기 발전기는 양전하를 모으는 '금속 전극'과 음전하를 모으는 '고분자 유전체'로 이뤄진다. 

연구팀은 유전체로 쓰이는 고분자의 특성을 변화시켜 전기 출력 효율을 높이는 방법을 찾아냈다. 

연구팀은 'PVDF(polyvinylidend difluoride)'라는 고분자를 기본 물질로 사용했다. PVDF는 눌렀을 때 양전하와 음전하가 양쪽으로 나란히 나눠 배열되는 전기적 성질인 유전성이 강한 물질이다. 이런 특징 덕분에 기존에도 센서와 배터리 장치에 유용하게 사용됐다.

양창덕 교수는 "유전성이 강해 분극이 잘 이뤄지는 PVDF의 유전상수는 8.6"이라며 "유전상수가 더 커지면 전기 출력을 더 크게 낼 거라 판단해 다른 고분자를 붙이는 방법을 썼다"고 설명했다.

이어 연구팀은 PVDF에 'PtBA(poly(tert-butyl acrylate))'를 붙인 새로운 고분자를 만들었다. 이 물질의 유전상수는 16.5까지 증가했다. 그 결과 PVDF를 음전하 대전체로 사용할 때보다 전기 출력이 20배 이상 크게 증가했다. 

백정민 교수는 "이번 연구는 향후 대전체 연구의 시발점이 될 것"이라며 "나무나 건물 같은 고정된 사물부터 자동차 등 움직이는 사물까지 다양한 에너지원을 이용해 스마트 기기를 충전하는 기술로 발전시킬 가능성이 높아졌다"고 말했다. 

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터에서 지원하는 삼성미래기술육성사업의 하나로 수행됐으며, 연구성과는 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 최신호에 발표됐다. 

A. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체 기반의 마찰전기 발전기의 제작 과정, B. 실제 사진, C. PtBA 몰퍼센트에 따른 출력 전류 밀도, D. 출력 전력, E. PtBA 몰퍼센트에 따른 전하 밀도, F. 캐패시터 충전 그래프 <자료=UNIST 제공>A. PVDF-Gn 그라프트 혼성 중합체 기반의 마찰전기 발전기의 제작 과정, B. 실제 사진, C. PtBA 몰퍼센트에 따른 출력 전류 밀도, D. 출력 전력, E. PtBA 몰퍼센트에 따른 전하 밀도, F. 캐패시터 충전 그래프 <자료=UNIST 제공>
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