DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 이주혁 교수팀이 금오공과대 이원호 교수팀과의 공동연구를 통해, 마찰대전 발전 소재의 핵심 성질인 ‘극성(極性)’을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 설계 전략을 세계 최초로 제시했다. 본 연구는 고분자 전해질(polymer electrolytes)을 활용해 극성 방향을 구조적으로 조절하고, 장기 내구성까지 향상시킨 것이 핵심이다.
마찰대전 발전 기술은 마찰을 통해 전기를 만들어내는 방식으로, 배터리 없이도 전력을 생산할 수 있어 주목받고 있다. 하지만 기존의 이온성 액체 기반 소재는 누액, 환경 불안정성, 내구성 저하 등으로 인해 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 이온이 고분자 사슬에 고정된 ‘고분자 전해질’을 설계하고, 이 소재를 활용해 마찰대전 극성을 원하는 방향으로 조절할 수 있는 플랫폼 개념을 새롭게 제안했다. 이로써 출력 향상뿐만 아니라 소재 설계의 유연성까지 확보하게 됐다.
실제로 연구팀은 양이온성과 음이온성을 가지는 다양한 고분자 전해질을 합성해 성능을 비교 분석했다. 그 결과, 양이온 고분자인 P(MA-A⁺20)TFSI⁻는 기존 소재(PMA)보다 약 2배 향상된 83V의 출력을 기록했고, 음이온 고분자인 P(S-S⁻10)Na⁺는 기존 소재(PS) 대비 4배 높은 34V의 출력을 보였다.
이 실험을 통해 고분자 구조에 따라 마찰대전 극성(양극성/음극성)을 조절할 수 있고, 이온 조성비를 통해 출력 성능도 조정 가능함을 입증했다.
또 고분자 사슬에 이온이 고정된 구조 덕분에 불필요한 이온 이동으로 인한 전하 손실이 줄어들고, 60℃ 고온 환경에서도 일주일 이상 출력 저하 없이 안정적으로 작동하는 우수한 열적 안정성을 확보했다.
반면 기존 방식인 고분자-이온성 액체 혼합물(PMMA+10IL)은 같은 조건에서 약 27%의 출력 감소를 보여 고분자 전해질 기반 소재의 우수성이 입증됐다.
DGIST 이주혁 교수는 “이번 연구는 단순한 성능 향상을 넘어, 고분자 구조를 설계함으로써 마찰대전 극성 자체를 조절할 수 있는 개념을 제시한 데 의의가 있다”며, “향후 차세대 에너지 하베스팅 소자 설계에 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘나노미래소재원천기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과 공동 제1저자: DGIST 주현서 박사(연구 당시 박사과정), 금오공대 박수진 연구원(연구 당시 석사과정)은 재료과학 분야 세계적 권위지인 Advanced Materials(IF: 27.4)에 10월 표지논문으로 게재됐다.
마찰대전 발전 기술은 마찰을 통해 전기를 만들어내는 방식으로, 배터리 없이도 전력을 생산할 수 있어 주목받고 있다. 하지만 기존의 이온성 액체 기반 소재는 누액, 환경 불안정성, 내구성 저하 등으로 인해 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 이온이 고분자 사슬에 고정된 ‘고분자 전해질’을 설계하고, 이 소재를 활용해 마찰대전 극성을 원하는 방향으로 조절할 수 있는 플랫폼 개념을 새롭게 제안했다. 이로써 출력 향상뿐만 아니라 소재 설계의 유연성까지 확보하게 됐다.
실제로 연구팀은 양이온성과 음이온성을 가지는 다양한 고분자 전해질을 합성해 성능을 비교 분석했다. 그 결과, 양이온 고분자인 P(MA-A⁺20)TFSI⁻는 기존 소재(PMA)보다 약 2배 향상된 83V의 출력을 기록했고, 음이온 고분자인 P(S-S⁻10)Na⁺는 기존 소재(PS) 대비 4배 높은 34V의 출력을 보였다.
이 실험을 통해 고분자 구조에 따라 마찰대전 극성(양극성/음극성)을 조절할 수 있고, 이온 조성비를 통해 출력 성능도 조정 가능함을 입증했다.
또 고분자 사슬에 이온이 고정된 구조 덕분에 불필요한 이온 이동으로 인한 전하 손실이 줄어들고, 60℃ 고온 환경에서도 일주일 이상 출력 저하 없이 안정적으로 작동하는 우수한 열적 안정성을 확보했다.
반면 기존 방식인 고분자-이온성 액체 혼합물(PMMA+10IL)은 같은 조건에서 약 27%의 출력 감소를 보여 고분자 전해질 기반 소재의 우수성이 입증됐다.
DGIST 이주혁 교수는 “이번 연구는 단순한 성능 향상을 넘어, 고분자 구조를 설계함으로써 마찰대전 극성 자체를 조절할 수 있는 개념을 제시한 데 의의가 있다”며, “향후 차세대 에너지 하베스팅 소자 설계에 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ‘나노미래소재원천기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과 공동 제1저자: DGIST 주현서 박사(연구 당시 박사과정), 금오공대 박수진 연구원(연구 당시 석사과정)은 재료과학 분야 세계적 권위지인 Advanced Materials(IF: 27.4)에 10월 표지논문으로 게재됐다.