[충청뉴스 유규상 기자] 한국기술교육대학교(KOREATECH·총장 유길상) 배진우 교수(에너지신소재화학공학부) 연구팀이 웨어러블·IoT 전원용 표준 소재인 PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드)의 구조적 한계를 돌파하고, 출력 3배를 향상한 ‘초고출력 마찰대전 나노발전 신소재’를 개발했다.
이번 성과는 인도 벨로르공과대학교(VIT)와의 국제 공동연구를 통해 도출된 것으로, 차세대 웨어러블 전자기기와 IoT 센서의 자가발전 기술 혁신을 가속할 핵심 기술로 평가된다.
마찰전기 나노발전기(TENG)는 두 물질의 접촉·분리 과정에서 발생하는 정전기를 전기에너지로 변환하는 장치로, 배터리 없이 작동하는 IoT 기기의 핵심 전원 기술로 주목받아 왔다. 그러나 기존 PVDF 기반 소재는 전기활성 β상 형성의 한계로 인해 출력 향상에 구조적 제약이 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 PVDF에 실리콘을 중심으로 가지처럼 뻗은 구조의 폴리에스터(Si‑HBP‑G1)를 결합하는 새로운 구조 제어 전략을 제시했다. 기존 무기 나노입자가 응집 문제로 성능 저하를 일으키는 것과 달리, 가지형 Si‑HBP‑G1은 수산기를 통해 PVDF와 강한 수소결합을 형성해 균일하게 분산되며 안정적인 전기적 특성을 구현한다.
이러한 구조적 혁신을 통해 개발된 신소재는 손바닥으로 가볍게 두드리거나 구부리는 간단한 동작만으로도 전기를 생성할 수 있으며, 76 V의 개방전압, 2.1 µA의 단락전류, 0.035 W/m²의 전력밀도를 달성했다. 이는 순수 PVDF 대비 전압 3.5배, 전류 3배 향상된 수치로, 실제 제작된 소자는 40개의 LED를 동시에 점등하고 디지털 스톱워치를 구동하는 등 실용적 에너지 하베스팅 능력을 입증했다.
성능 향상의 핵심은 Si‑HBP‑G1이 PVDF의 비극성 α상을 전기활성 β상으로 빠르게 전환시키는 메커니즘이다. 분자동역학(MD) 시뮬레이션 분석 결과, Si‑HBP‑G1 첨가 시 β상 전환 속도가 최대 2배 증가하고, β상 함량도 78.1%에서 85.4%로 증가하는 것으로 확인되었다. 이는 가지형 고분자의 다중 분지 구조가 PVDF 사슬 정렬을 촉진해 전하 발생·수집 효율을 극대화한 결과다.
배진우 교수는 “기존에는 PVDF 성능을 높이기 위해 무기 입자를 넣었지만, 입자들이 잘 분산되지 않아 오히려 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 이번 연구는 간단한 가지형 고분자를 도입해 PVDF 자체의 분자 배열이 더 잘 정렬되도록 만든 것이 핵심”이라며 “복잡한 첨가제를 많이 넣지 않아도 소재 구조만 효율적으로 바꿔 성능을 크게 끌어올릴 수 있다는 점에서 이번 연구의 의미가 크다”고 강조했다.
또한, 1저자로 참여한 우인선 박사과정생은 "개발된 소재는 터치 센서로도 활용 가능하여 자가발전 웨어러블 전자기기, 건강 모니터링 시스템, 스마트 의류 등 다양한 웨어러블·IoT 분야에 응용될 수 있을 것"이라고 전망했다.
해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 교육부가 추진하는 4단계 두뇌한국(BK21) 사업, 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구의 성과는 IF(영향력 지수) 21.8의 복합재료 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’ 최신호에 게재되었다.
