나노기술 및 정책 정보

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● 한국생산기술연구원이 펄스레이저 기반 친환경 물리공정을 활용하여 마찰전기 나노발전기의 전력 성능을 2배 가량 높일 수 있는 핵심 탄소소재 제조공정을 개발

● 마찰전기 나노발전기는 양전하를 모으는 ‘금속 전극’과 음전하를 모으는 ‘고분자 유전체 필름’으로 구성

● 기존에는 성능 향상을 위해 마찰면적을 넓히거나, 고분자 유전체 필름에 특정 전기적 상태를 스스로 유지하는 물질인 ‘강유전체’를 첨가제로 혼합하는 연구를 주로 수행했지만, 높은 전압값에 비해 전류값이 상대적으로 낮아 여러 응용 분야에 적용하기에는 전력이 부족하였고, 강유전체 나노분말의 경우 인체에 흡수될 수 있어 유해성 논란이 촉발되었음.

● 이에 연구팀은 기존 강유전체의 대체물질로서 전기전도성과 기계적 특성이 모두 우수한 탄소나노튜브에 주목하여 독자 개발한 펄스레이저 기반의 친환경 물리공정(Pulsed laser ablation, PLA)으로 탄소나노튜브 표면을 개질해 전기적 특성을 향상시킴.

● PLA 공정이란 레이저로 탄소소재 표면을 파괴해 불안정한 상태에서 다양한 이종소재와의 결합을 유도하는 물리적 기법으로, 강한 산이나 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이며 공정시간도 단축되는 효과가 있음.

● 일반적인 탄소나노튜브는 고분자 유전체와 혼합될 때 골고루 분산되지 않고 뭉치는 현상이 발생하여 그동안 첨가제로서의 사용이 제한되었지만, PLA 공정으로 탄소나노튜브에 레이저를 조사하게 되면, 파괴된 소재 표면에 풍부한 산소 작용기가 형성되어 고분자 유전체 내에서도 우수한 분산성을 띠게 되며 그에 따라 전류의 흐름도 원활해짐.

● 실제 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 고분자 유전체 필름의 경우, 물질의 전기적 성질의 척도인 ‘유전율’이 기존보다 약 250% 이상 향상되었으며, 이를 활용해 제작된 마찰전기 나노발전기의 경우 전압값 170%, 전류값 243%의 성능 개선을 이뤄낸 것을 확인

● 연구팀은 향후 지속적인 연구를 통해 웨어러블 디바이스에 착용 가능한 자가 충족 마이크로·나노시스템 개발에 힘쓸 계획

※ 용어설명

- 마찰전기 나노발전기(Triboeletric nanogenerator, TENG): 서로 다른 두 물체가 접촉하고 분리될 때 만들어지는 양전하와 음전하들의 이동 현상을 활용해 전기를 생산하는 에너지 변환 장치

- 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT): 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 나노직경의 튜브를 이루고 있는 탄소동소체

※ Journal of Materials Chemistry A 게재(2022.01.)

※ 한국연구재단(개인기초연구사업 중견연구과제) 지원