DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀(사진. DGIST)

 

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 금속유기골격체(MOF)를 탑재한 마찰전기 나노발전기를 개발했다고 밝혔다. 친환경적인 소재인 사이클로덱스트린(Cyclodextrin)을 이용해 개발된 금속유기골격체는 골격체 내부에 다양한 화학물질을 탑재할 수 있는 능력도 함께 갖춘 소재로, 향후 이를 활용해 새로운 개념의 나노발전기 제작에 큰 영향을 줄 것으로 보인다.

화석연료나 핵연료 같은 현재 주요 에너지원들은 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있다. 따라서 자연에서 버려지는 기계, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 전환하는 기술에 관심이 높다. 그 중에서도 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는 압전(壓電)기술이 요구된다. 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료기기, 사물인터넷 센서, 자가발전 전자시스템 등 다양한 분야 적용이 기대되는 유망기술이다.

 

친환경/생체적합성 소재인 Cyclodextrin 기반 마찰전기 나노발전기의 디자인(사진. DGIST)

특히 ‘마찰전기 나노발전기(TENG, Triboelectric Nanogenerator)’는 표면 간 접촉으로 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 바탕으로 전기적 에너지를 생성한다. 하지만 기존 TENG의 효율성을 위해 사용해온 세라믹 나노 복합재료는 환경문제와 생체적용에 적합하지 않다는 한계점이 있어왔다.

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 약물전달에 많이 쓰이는 사이클로덱스트린 소재의 금속유기골격체를 활용, 고효율 마찰전기 나노발전기를 개발했다. 사이클로덱스트린은 친환경 소재로, 심지어 먹을 수도 있을 만큼 무독성이며, 인체삽입도 가능한 소재다.

 

나노발전기 적용 자가발전 운동 모니터링(左), 나노발전기 적용 전력공급(우)(사진. DGIST)

또한 김 교수팀은 사이클로덱스트린 소재의 금속유기골격체를 이용해 만든 3개의 마찰전기 나노발전기판들을 서로 연결시킨 Z모양의 유연한 나노발전기를 제작했다. 제작된 나노발전기는 가방이나 신발과 같은 사물이나 신체 부위에 고정, 움직임이 발생할 때 3개의 나노발전기판이 서로 유연하게 접혀 발생하는 마찰에너지를 전기에너지로 전환, 에너지를 저장한다. 이렇게 저장된 에너지는 계산기, 손목시계 같은 작은 전자기기를 작동시킬 수 있을 만큼 충분해, 향후 다양한 활용이 기대된다.

DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 “로봇적용 촉각센서를 연구하며 압전, 마찰전기 나노발전기에 관심을 갖게 됐다”라며 “단순히 발전기소자만을 개발하는 것에 멈추지 않고 실제 응용분야에 맞는 소자 개량을 통해 실생활에서 사용가능한 나노발전기 개발을 목표로 연구를 계속할 것이다”라고 했다.

한편, 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 국제적 재료 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 4월 19일(월) 온라인 게재됐으며, 올해 7월 발간예정인 저널의 표지논문으로 선정됐다.