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국내 연구진이 2차원 반도체 물질을 주름 구조로 제작, 마찰전기 발생 효율을 40% 높여 외부전원 없이 자체 발전으로 작동할 수 있는 터치 패드용 센서를 개발했음.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 기능성복합소재연구센터 이승기 박사와 전북대 신소재공학부 정창규 교수 연구팀은 10일 종잇장 같은 평면 형태인 이황화몰리브덴(MoS₂)에 주름 구조를 형성, 마찰전기 발생효율을 40% 이상 증가시킨 터치 센서를 개발했다고 밝혔음.

언제 어디서나 신호와 정보를 주고받는 초미세·저전력 센서와 소자는 사물인터넷(IoT) 시대의 필수요소지만 문제는 유선 또는 전지로는 이들 전자기기에 지속해서 전기를 공급하기 어렵다는 점임.

이에 대한 해결책으로 정전기처럼 물질들의 접촉에서 마찰전기를 유도해 에너지를 만드는 마찰전기 발생장치가 주목받고 있음. 하지만 일반적인 마찰전기 발생장치는 충분한 전기를 생산하려면 크기가 커지고 무거워져 웨어러블 전자기기 등에 적용하기 어려운 문제가 있었음.

연구팀은 이 연구에서 마찰전기 발생장치에서 활성층 역할을 하는 이차원 반도체 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)의 특성을 조절하고 구조를 변경, 마찰전기 발생효율을 40% 끌어올렸음.

이황화몰리브덴을 합성할 때 실리콘/실리콘산화물을 기판으로 활용하고 반도체 공정에 사용되는 강한 열처리 공정을 적용, 실리콘산화물이 열에 구겨지게 함으로써 그 위에서 합성되는 이황화몰리브텐을 주름진 형태로 만든 것임.

주름진 형태의 이황화몰리브덴은 발전량이 2.25㎼(마이크로와트)로 평면 상태의 이황화몰리브덴(1.5㎼)보다 마찰전기 발생효율이 50% 높았고, 1만회 반복 실험에서도 안정적인 마찰전기 출력이 유지되는 것으로 나타났음.

연구팀은 주름진 이차원 이황화몰리브덴을 터치패드나 디스플레이에 활용되는 터치센서에 적용, 배터리 없이도 구동할 수 있는 가볍고 유연한 무전원 터치센서를 개발했음.

발전효율이 높아진 터치센서는 자극에 민감하게 반응해 외부 전력 공급 없이도 적은 힘으로 터치 신호를 인식할 수 있다고 연구팀은 설명했음.

이승기 박사는 "이 연구는 고분자와의 복합화로 마찰전기 효율을 증대시킬 수 있는 방안을 제시한 것으로 이차원 물질 기반 차세대 기능성 소재 개발에 밑거름이 될 것"이라며 "발전량을 더 높이면 소형 배터리를 대체하는 자체 발전 전원으로도 활용이 가능할 것"이라고 말했음.

본 연구 성과는 ‘Nano Energy’ 지에 게재됨.