김상우 교수 연구팀 '직물형 마찰전기 발전소자' 개발
지난 8일, 우리 학교 신소재공학부(학과장 김정구) 김상우 교수와 연구진이 직물 마찰로 전기를 생산하는 ‘직물형 마찰전기 발전소자’를 개발했다. 본 연구는 김 교수가 주도하고 승완철(제1저자, 박사과정), 김태윤(박사과정), 이주혁(박사과정), 김상현(석사과정) 원우가 참여했다. 김 교수와 연구진은 은(Ag) 코팅 직물 층 위에 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직 배열로 합성한 뒤 폴리디메틸실록산(PDMS)를 코팅하여 직물 위에 성공적으로 나노패턴을 구현했다. 은 코팅 섬유와 산화아연 나노막대·폴리디메틸실록산 코팅 직물이 마찰하면 은 코팅 직물은 양전하를, 산화아연 나노막대·폴리디메틸실록산 코팅 직물은 음전하를 갖게 된다. 이 두 물질이 붙고 떨어지는 과정에서 정전 효과와 분극 현상이 발생하고, 양쪽 전극에서 전위차가 생겨 기계적 에너지를 전기 에너지로 바꿈으로써 전기를 생산한다. 즉, 옷을 입고 있기만 해도 전기가 만들어지는 것이다.
일종의 ‘옷 발전기’인 마찰전기 발전소자는 웨어러블 전자 기기의 전원으로 사용될 수 있다. 김 교수는 마찰 전기 발전소자를 4x4㎠ 면적으로 만들어 옷의 소매 부위에 부착하고 실험한 결과 출력 전압 170V, 출력 전류 110㎂의 전기를 생산하는데 성공했다. 이는 그동안 개발됐던 직물형 발전소자보다 10배 이상 높은 수치다. 이 정도 출력치는 옷에 부착된 LCD, LED를 작동시킬 수 있고 차량용 무선 리모트 키도 구동할 수 있다. 실제로 김 교수는 발전소자를 옷에 적용해 외부로부터 추가 전력 공급 없이 자체 생산한 전기만으로 LED와 LCD를 밝히고 차량의 무선 리모트 키를 작동할 수 있음을 보였다.
이 마찰 전기 발전소자는 신축성이 좋아 구부리거나 잡아당겨 늘여도 발전 성능이 유지될 정도로 기계적 내구성이 좋다. 1만 2천 번 가동 후에도 생산되는 전기의 전압과 전류량이 줄지 않을 정도다. 또한 소자의 구조가 간단하고 소재 물질이 다양해 경제적이며 고효율 ·고출력 발전이 가능하다. 이 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 나노분야 학술지 ACS 나노 최신호에 게재되기로 했다.
김 교수는 추가 회로 구성을 통해 전압은 낮추고 전류는 높일 수 있어 수 V, 수 ㎃의 전력을 생산할 수 있다며 향후 소모 전력이 수∼수십 mW/㎠ 이하 급 휴대 전자 기기나 사물인터넷에 웨어러블 전원으로 사용할 수 있을 것이라고 말했다. 외부 전원 없이도 작동하는 자가구동형 웨어러블 장치를 구현할 수 있게 해준 이 직물형 마찰전기 발전소자는 미래 에너지 산업에서 중요한 에너지 발전 패러다임으로 제시될 것이다.