DGIST 이주혁 교수팀, 이온성 폴리우레탄 기반 마찰대전 발전소자 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 이주혁 교수팀이 자가 치유, 생분해성 및 높은 양전 특성을 갖춘 이온성 폴리우레탄 기반 마찰대전 발전소자를 개발했다.

이 소자는 자가 치유와 생분해가 가능해 환경에 미치는 영향을 최소화하면서도, 이온성 액체를 사용해 출력 성능을 크게 높일 수 있는 친환경 에너지 소자로 설계됐다. 이러한 특성 덕분에 차세대 소프트 전자기기와 웨어러블 디바이스에서 지속 가능한 전력원으로 사용할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 

최근, 마찰을 통해 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 ‘마찰대전 발전소자’를 차세대 에너지원으로 활용하기 위한 다양한 연구가 이뤄지고 있다. 차세대 에너지원으로서 발전소자가 활용되기 위해서는 높은 내구성과 안정적인 전력 생산이 필수적이며, 지속적인 마찰로 인한 기계적 손상을 자가 치유할 수 있어야 한다.

미래 환경을 위해 기능을 상실한 소자가 미생물 등에 분해되어 자연으로 돌아가는 친환경 기술까지 접목된다면 그 활용가치가 더욱 크다고 할 수 있다.

이에 이주혁 교수팀은 친환경적이면서 차세대 에너지원으로 활용할 수 있도록, 폴리우레탄을 소재로 하는 마찰대전 발전소자를 개발했다. 연구팀은 이미다졸이움 이온을 활용해 자가 치유 기능과 높은 양전 특성을 부여하고, 폴리카프로락톤(PCL) 기반의 폴리우레탄을 사용해 생분해성을 갖춘 ‘이온성 폴리우레탄’을 제작하고, 이를 활용해 마찰대전 발전소자를 개발했다.

이온성 폴리우레탄은 자가 치유와 생분해가 가능함과 동시에 높은 양전 특성을 가져 전기에너지 생산에 매우 효율적이다. 따라서 차세대 소프트 전자기기의 지속 가능한 전력원으로서 자가 치유되며, 사용 후 생분해가 가능해 환경오염에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

연구팀은 새롭게 개발한 소자의 우수성 검증절차를 진행했다. 다양한 조건의 이온성 폴리우레탄 기반 소자의 출력을 분석한 결과, 최고 436.8 mW/㎡의 전력 밀도를 생성하며 자가 치유 효율이 약 90%임을 확인했다. 사용 후 약 300일에 걸쳐 생분해 과정이 진행됐을 때 소자의 초기 질량 대비 약 21%만 남는 것을 발견했다.

DGIST 에너지공학과 이주혁 교수는 “이번 연구를 통해 높은 출력 성능을 유지하면서도 자가 치유 및 생분해 기능을 통합한 효율적인 소재를 개발했다”며 “차세대 웨어러블 디바이스에 지속 가능한 전력원을 제공 가능할 수 있는 혁신적인 기술로, 기술사업화 등 상용화를 위해 후속연구에 매진하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 통해 진행됐으며, 연구결과는 에너지 공학 분야의 저명 국제 학술지 중의 하나인 ‘Nano Energy’에 게재됐다.