투명하고 유연한 에너지 발전 소자 개발
투명하고 유연한 에너지 발전 소자 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.07.04 00:09
  • 조회수 1299
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(왼쪽) 폴리염화비닐 겔을 이용한 에너지 발전소자 (오른쪽) 촉각센서(왼쪽) 폴리염화비닐 겔(이하 PVC-gel) 기반 마찰전기 나노발전기를 피부에 부착하여 에너지 수확하는 모식도이다. - PVC에 가소제를 첨가하여 제작한 PVC-gel은  신축성 및 광 투과도가 우수함을 보여준다. PVC-gel 단일층으로 이루어진 마찰전기 나노발전기는 손으로 단순하게 접촉을 통해서도 고출력의 에너지 발전이 가능하다.  (오른쪽) PVC-gel 촉각센서는 단층 PVC-gel의 가장자리 부분에 4개의 전극이 연결된 간단한 구조로, 물체가 촉각센서에 접촉하면서 발생한 전기에너지를 4개의 전극에서 각각 측정하여 위치와 압력을 감지할 수 있다.그림설명 및 그림제공 : 대구경북과학기술원 이주혁 교수
(왼쪽) 폴리염화비닐 겔을 이용한 에너지 발전소자 (오른쪽) 촉각센서(왼쪽) 폴리염화비닐 겔(이하 PVC-gel) 기반 마찰전기 나노발전기를 피부에 부착하여 에너지 수확하는 모식도이다. - PVC에 가소제를 첨가하여 제작한 PVC-gel은 신축성 및 광 투과도가 우수함을 보여준다. PVC-gel 단일층으로 이루어진 마찰전기 나노발전기는 손으로 단순하게 접촉을 통해서도 고출력의 에너지 발전이 가능하다. (오른쪽) PVC-gel 촉각센서는 단층 PVC-gel의 가장자리 부분에 4개의 전극이 연결된 간단한 구조로, 물체가 촉각센서에 접촉하면서 발생한 전기에너지를 4개의 전극에서 각각 측정하여 위치와 압력을 감지할 수 있다.그림설명 및 그림제공 : 대구경북과학기술원 이주혁 교수

폴리염화비닐(PVC)은 건축 파이프, 바닥재 등에 주로 사용되는 단단한 플라스틱이죠. 신축성 폴리염화비닐 고분자 겔을 응용한 마찰전기 나노발전기를 구현하여, 정전기로부터 얻은 에너지로 위치와 압력을 인식할 수 있는 촉각센서가 국내 연구진에 의해 소개되었습니다. 마찰전기 나노발전기란 기계적 에너지(접촉, 진동 등)를 이용해서 전기를 생산하는 소자인데요.

 

한국연구재단은 이주혁 교수 연구팀(대구경북과학기술원, 제1저자 박효식 석박통합과정)이 배진우 교수 연구팀(한국기술교육대학교, 제1저자 오승주 박사과정)과 협력하여 투명하고 신축성 있는 고분자 겔 단일층으로 구성된 마찰전기 나노발전기를 개발했다고 밝혔습니다.

 

이는 에너지 발전 소자로써 기계적 에너지를 수확할 수 있을 뿐 아니라, 전극 그리드 패턴 없이도 임의의 위치를 터치하면 그 위치를 감지할 수 있는 촉각센서로도 구현 가능한데요.

 

최근 웨어러블, 스트레처블 전자기기의 다양화로 인해 신축성 있는 전자기기를 구현하려는 시도가 활발해지고 있습니다. 이에 활용 가능한 전원 공급 장치의 개발 또한 활발하게 이루어지고 있죠. 

 

특히 마찰전기 나노발전기는 압력, 진동, 풍력 등의 버려지는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환할 수 있는 소자로써 전원 공급 장치로의 활용 가능성에 대해서도 주목을 받고 있습니다.

 

하지만 기존의 마찰전기 나노발전기는 기판, 전극, 유전소재 등 최소 2가지 이상의 층으로 이루어져 있어 두께가 두꺼울 뿐 아니라 유연성이나 투명성에 제한이 있으며 복잡한 제작공정을 이용해왔습니다.

 

이에 연구팀은 가소제가 포함된 폴리염화비닐 겔을 사용하여 투명하면서도 매우 잘 늘어나는 한 개 층의 고출력 마찰전기 나노발전기 개발에 성공했습니다. 가소제는 플라스틱을 유연하게 만들어 주는 물질입니다. 이는 기계적 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 변환할 수 있을 뿐만 아니라, 접촉에 의한 에너지 발전 효율도 향상됨을 확인했는데요. 또한, 촉각센서의 위치 감지를 위해 필수적인 전극 그리드 패턴 없이도 접촉 거리에 따라 마찰전기 출력이 변하는 특성을 활용, 접촉한 위치나 압력 등의 감지가 가능한 촉각 센서로의 활용 가능성을 보였습니다.

 

연구팀은 개발한 에너지 발전 소자가 투명하고 잘 늘어나는 특성을 가지고 있어 미래 유연전자소자의 에너지원으로 활용 가능성을 기대하고 있습니다. 구조적으로 간단해 공정비용을 낮출 수 있어 향후 지속적인 연구를 통해 AR/XR 등 가상현실, 전자스킨, 웨어러블 장치 관련 분야에도 적용 가능할 것으로 기대하고 있습니다.

 

연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’온라인판에 5월 26일 게재, 표지 논문으로 선정됐습니다.

논문명 : Plasticized PVC-gel Single Layer-Based Stretchable Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Mechanical Energy and Tactile Sensing


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