플라스틱에 가소제 첨가 전력 생산하는 나노발전기 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 배터리 교체나 충전 없이도 센서와 로봇을 구동할 수 있는 새로운 전력 기술이 개발됐다. 값싸고 흔한 플라스틱으로 직류 전력을 직접 생산하는 나노발전기를 구현해 스마트 물류·헬스케어·사물인터넷(IoT) 기기 등 차세대 전자기기의 자율 구동 가능성을 열었다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 대구경북과학기술원(DGIST) 이주혁 교수 연구팀이 범용 플라스틱(PVC)을 활용한 '이온성 직류 마찰전기 나노발전기(iDC-TENG)'를 개발해 정류회로 없이도 다양한 기계적 움직임으로 안정적인 직류 전력 공급이 가능함을 입증했다고 3일 밝혔다.

IoT, 웨어러블 기기, 스마트 물류 센서 등은 소량의 전력을 필요로 하지만 배터리 교체와 충전이 큰 부담으로 작용해 왔다. 기존 마찰전기 나노발전기는 기계적 움직임을 전기로 바꿀 수 있었으나 교류(AC) 전력만 생산해 직류(DC)로 변환하기 위해서는 정류회로가 필요했다.

이 과정에서 에너지 손실과 구조적 복잡성이 뒤따라 반도체 소재, 절연 파괴, 기계적 스위칭 등 다양한 대안이 제시됐지만 비용·효율·활용성 측면에서 산업 현장에 널리 적용되기에는 어려움이 있었다.

연구팀은 흔히 쓰이는 플라스틱인 PVC에 가소제를 첨가해 특성을 조절함으로써 별도의 회로 없이도 직류 전력을 직접 생산할 수 있는 새로운 소자(iDC-TENG)를 구현했다.

이 소자는 다양한 움직임에서도 안정적인 전력 공급이 가능하며 그 작동 원리가 마찰 전하 확산과 전극 표면에 이온이 쌓이면서 내부에 전기장이 만들어지는 현상(전극 분극)이라는 점을 밝혔다.

또 전극의 성질 차이가 출력 크기에 큰 영향을 미친다는 사실도 확인했다. 최적 조건에서 소자는 수십~수백 제곱미터(㎡)당 밀리와트(mW)수준의 높은 출력을 안정적으로 발생시켰다.

실제로 축전기 충전, LED 250개에 전력을 공급하며 센서를 구동하는 데 성공해 실제 응용 가능성을 보여주었다.

이 교수는 "이번 연구는 값싼 플라스틱 소재를 활용해 직류 전력을 직접 생산하는 세계 최초의 원리를 제시했다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다"며 "지속가능한 에너지 자립형 스마트 물류 인프라 구축에 기여할 수 있다"고 말했다.

다만 현재는 PVC-가소제 기반의 특정 조성에서 가장 우수한 성능을 보여 향후에는 환경 내구성 강화, 대면적·직접화 제작 공정 개발, 장시간 안정성 확보가 중요한 과제로 남아있다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr