‘동전 크기 소자로 LED 전구 100개 점등’ 화학연, 고효율 마찰발전기술 개발

국내 연구진이 마찰 전기 발전 소재 성능을 13배 높이는 기술을 개발했다. 오백원짜리 동전 크기의 발전 소자로 소형 LED 전구 100개를 밝힐 수 있는 등 고효율을 자랑해, 향후 상용화될 경우 스마트워치 등 휴대용 소형기기 충전에 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

한국화학연구원은 이수연, 김태호 박사팀이 최근 연구 논문을 통해 자체 개발한 ‘이온겔 전기 이중층’과 내구성이 좋은 양전하 소재를 적용해, 누설전류를 최소화하고 전력 생산을 극대화하면서도 1만 회 반복 사용에도 성능이 유지되는 고출력 마찰 발전 소재 기술을 발표했다고 30일 밝혔다. 일반적으로 정전기는 작고 쓸모없는 것으로 인식되나, 적절히 활용한다면 운동 중 신발과 바닥 사이의 마찰을 스마트워치 충전에 활용하는 등 소형기기에서 활용될 수 있다. 다만 구조적으로 전류가 누설돼 효율과 출력이 낮고, 반복 마찰로 마모되면 성능이 저하되는 한계가 있다.

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연구팀은 마찰 소재와 전극 사이에 이온겔 전기 이중층(iEDL) 소재를 추가해 전류 누설 문제를 해결하고 전력 발생량을 높였다. iEDL은 전해질과 전극 표면 사이에 형성되는 두 개의 전하 층을 의미한다. 연구팀은 이온성 액체를 얇게 굳혀 막을 만들고, 이를 이용해 마찰로 생성된 전하 상태가 유지되도록 안정적으로 고정했다.

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연구팀에 따르면 iEDL 소재를 적용할 경우 기존과 비교해 전력 밀도가 13배로 늘어 매우 효율적인 발전 성능을 보였다. 아울러 기계적 안정성이 뛰어나, 찢어지거나 구멍이 생겨도 많은 전기를 생산해냈으며 1만 회 반복 실험 결과 최대 출력 전압 하락이 0.1V 이내인 높은 내구성을 보였다. 또 4.7μF(마이크로패럿)의 소용량부터 470μF의 대용량 기기까지 충전시킬 수 있는 성능을 보여주었으며, 오백원짜리 동전 크기의 마찰발전소자 1개로 100개의 소형 LED 전구(1개당 50mW)를 밝힐 만큼 충분한 전원을 공급할 수 있었다.

연구팀은 향후 후속 연구를 통해 발전된 전기를 동시에 효율적으로 저장할 수 있는 소자 개발과 고효율 독립 전원 시스템 구축에 성공한다면 2030년쯤 실용화가 가능할 것으로 보고 있다. 이영국 화학연 원장은 "기존에 연구된 마찰전기 보조 전원기술에 대한 해결책으로써 웨어러블 기기, 사물인터넷(IoT) 기기, 자가전원 센서 등 활용 영역이 확대될 것으로 기대한다"고 말했다.

화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 재료·화학 과학기술 분야 국제 학술지인 ‘첨단 기능성 소재’에 2024년 9월 표지 논문으로 게재됐다.

구혁 기자