단일벽탄소나노튜브 및 고분자 복합 전극 이용, 완전히 신축 가능한 ‘자가충전 전원공급 소자’ 개발
옷, 신발, 시계 등 다양한 형태로 몸에 착용이 가능한 웨어러블 전자기기는 외부 전력을 공급받아 배터리에 충전해 사용하는 경우가 다수지만, 미래 사회에는 기기 자체가 전력원이 되어 전기를 스스로 생산하고 공급하는 방식이 더욱 주목받을 것으로 보고 있다.
KERI 나노융합연구센터(센터장 정희진) 연구팀(박종환 책임연구원, 양혜진 연구원)의 성과는 옷 등에서 발생하는 마찰력을 이용해 전기를 스스로 생성하는 ‘나노발전기’(자가충전)와 만들어진 전기를 저장하고 이를 웨어러블 전자기기에 공급해 주는 ‘마이크로 슈퍼 커패시터’(전원공급)가 통합된 기술을 개발한 것이다.
기존 연구에서는 완전히 신축(伸縮, expansion and contraction) 가능한 ‘마찰 전기 나노발전기’가 개발된 사례가 있었으나, 안정적으로 전기를 저장 및 전달해 전원을 공급하는 ‘마이크로 슈퍼 커패시터’ 기능까지 수행하는 통합 신축 소자는 아직 나온 적이 없다.
자가충전 웨어러블 기기는 뛰어난 신축 내구성 보유는 기본이고, 우수한 전기적 특성과 경량성, 생체 적합성 등 여러 조건들이 필요하다. 이를 해결하기 위해 많은 연구자들이 주름형 기판을 사용하거나 부분형 신축 전극을 도입하는 방식을 활용했지만, 이러한 접근법은 신축 방향이 제한적이고 내구성도 떨어졌으며, 제작 단가도 높았다.
이에 KERI 연구팀은 10여년 이상 축적해 온 나노융합 기술을 기반으로, 우수한 전기 전도성 및 물성을 가진 ‘단일벽탄소나노튜브’를 신축성 있는 ‘고분자(폴리머, polymer)’와 효과적으로 섞는 방식을 활용했고, 이를 통해 전류를 전달하는 ‘집전체’는 물론, 에너지를 저장하는 ‘전극’의 역할까지 동시에 수행할 수 있는 소자를 개발할 수 있었다.
해당 소자는 모든 방향으로 신축이 가능하고, 연구원 자체 성능 테스트 결과 1만회 이상 사용해도 견딜 정도로 내구성도 매우 뛰어나다.
개발 기술은 국방·레저 등 분야에서 중요한 전력 공급원으로 활용될 것으로 예상된다. 특히 각종 전기·전자 장비의 사용이 필수적인 미래 전장에서는 군사용 휴대용 초경량 전지와 더불어, 극한 환경에서의 생존 등에 필요한 전기를 현장에서 직접 생산해 활용할 수 있는 기술이 필요하다.
이 경우, KERI 기술을 적용하면 군복 및 군화, 군모, 전투용 배낭 등에서 발생하는 마찰력으로 전기를 생산할 수 있다. 레저 분야에서도 등산복 등에 자가충전 전원공급 소자를 적용하면 긴급한 상황에서 손전등이나 스마트폰 충전의 전력원으로 요긴하게 활용할 수 있다.
해당 연구결과는 재료 분야 저널인용지표(JCR) 상위 4.6% 국제 저명 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy, IF = 17.881)’에 논문이 게재되며 높은 기술 수준을 인정받았다.
KERI 박종환 박사는 “마찰력으로 인한 전기의 생산부터 저장 그리고 공급까지 통합적으로 수행할 수 있는 소자를 완전 신축형으로 제작한 세계 최초의 성과”라며 “소자의 효율성과 성능을 더욱 높여 차세대 웨어러블 전자기기의 경량화 및 휴대성 향상에 크게 기여할 수 있도록 꾸준히 연구하겠다”고 전했다.
이혜림 부산/경남 기자 ilyo33@ilyo.co.kr