자연에서 버려지는 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환해 사용하는 ‘에너지 하베스팅 기술’은 소형 전자기기의 전원 공급 문제를 근본적으로 해결한 방법으로 제시되고 있다. 특히 서로 다른 물질이 스치면서 생기는 마찰전기를 에너지로 바꾸는 기술이 주목받는다. ‘마찰전기 발전기’를 이루는 소재의 전기적 특성을 바꿔 출력을 20배 높이는 방법이 나왔다. 바람이나 진동, 소리, 발걸음 등에서 에너지를 수확하는 기술을 크게 발전시킬 수 있다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부의 백정민 교수팀은 에너지 및 화학공학부의 양창덕 교수팀과 공동으로 고분자 두 종류를 결합한 신소재와 금속 전극을 마찰시켜 전기를 생산하는 고효율 마찰전기 발전기를 개발해 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’ 최신호로 발표했다고 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. 이런 전하 불균형 때문에 전자가 이동하게 되는데, 이것이 곧 전류다. 마찰전기 발전기는 이 전류를 수확하는 장치라고 보면 된다.

마찰전기 발전기는 양전하를 모으는 ‘금속 전극’과 음전하를 모으는 ‘고분자 유전체’로 이뤄진다. 백정민-양창덕 교수팀은 이번 연구에서 유전체로 쓰이는 고분자의 특성을 변화시켜 전기 출력 효율을 높이는 방법을 찾았다.


연구진은 우선 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.

연구진은 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 “이번에 개발한 마찰전기 발전기의 음전하 대전체는 유전상수 조절로 출력을 크게 높일 수 있다는 걸 보여 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 내다봤다.

/울산=장지승기자 jjs@sedaily.com