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섬유&염색
폐섬유 활용 웨어러블 전자 소자 개발
경희대 연구팀, 나노발전소자 전기적 성능 표면적 의존 사실 입증
기사입력: 2020/08/12 [10:31]  최종편집: TIN 뉴스 이 기사 후원하기
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TIN뉴스

 

 경희대학교 전자정보대학 ‘웨어러블융합전자연구소’ 유재수 교수 연구팀이 폐섬유를 활용해 인간의 일상적 활동에서 에너지를 수확할 수 있는 자체 전원 공급 소자를 개발했다. (사진 왼쪽부터) 연구를 수행한 Sontyana Adonijah Graham 학생(박사 4기)과 유재수 교수(사진=경희대학교)  © TIN뉴스

 

열악한 환경에서도 훌륭한 전기성능… 휴대용 전자기기 사용 기대

미활용 에너지 연구로 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’에 게재

 

경희대학교 전자정보대학 ‘웨어러블융합전자연구소’ 유재수 교수 연구팀이 폐섬유를 활용해 일상생활에서 에너지를 얻을 수 있는 자체 전원 공급 소자를 개발하고 나노발전소자의 전기적 성능이 표면적에 크게 의존하는 사실을 입증했다고 7일 밝혔다.

 

연구팀이 개발한 소자는 열악한 환경과 수중에서도 높은 전기성능을 보였다.

최근 에너지 분야에서는 ‘재생 가능 에너지’와 ‘미활용 에너지’가 주목받고 있다. 재생 가능 에너지는 지구 기온 상승을 유발하고 자원량이 제한된 화석 연료와 다르다. 태양광, 풍력, 수력, 조력 등 시간이 지나면 자연적으로 보충되는 에너지이다.

 

미활용 에너지는 인간의 호흡, 걷기, 달리기, 혈류 등과 차량의 움직임이나 진동 같은 일상생활에서 발생하지만 활용되지 않고 낭비되는 에너지이다. 미활용 에너지는 인간의 일상생활과 밀접해 가용성이 높다고 평가받는다.

 

유 교수 연구팀은 일상에서 쉽게 찾을 수 있는 면섬유 폐기물을 활용했다. 면섬유는 약 90%가 유해하지 않고 친환경적인 바이오물질인 셀룰로스로 이뤄졌다. 면섬유 추출물을 고분자화합물과 결합하면 높은 전하 전달력을 갖는다.

 

연구팀은 면섬유 폐기물을 사용해 일상생활의 기계적 동작을 이용한 전기 에너지 발생기를 제작했다. 이 발생기는 유연하고 구부러지는 특성이 있어 다양한 웨어러블 장치나 구부러지는 디스플레이, 건강, 모니터링, 통신 및 생체 영감 피부 같은 특성을 띤 의복을 통해 휴대용 전자기기에 전력을 공급할 수 있다.

 

▲ 경희대 연구팀, 폐섬유 활용 웨어러블 전자 소자 개발  © TIN뉴스

 

전기 생산성 향상을 위해서는 마찰전기 발전 소자의 표면적 향상이 중요하다. 이를 위해 많은 연구자가 마찰전기 필름의 표면에 미세패턴과 나노패턴을 도입했다. 또한 습식·건식 식각 공정, 제작이 어려운 표면 코팅 기술을 도입하며 개선했다.

 

결과적으로 에너지 수확 장치 제작에 큰 비용이 들고 친환경적이지도 않아, 나노 발전소자의 상업화를 어렵게 한다.

 

유 교수 연구팀은 이런 어려움을 간단한 제조 공정으로 고효율 에너지를 수확할 수 있는지 연구했다. 연구 결과 폐섬유를 활용해 환경친화적인 생분해성, 무독성 마찰전기 필름을 도입할 수 있었다.

 

▲ 경희대 연구팀, 폐섬유 활용 웨어러블 전자 소자 개발  © TIN뉴스

 

특히 필름의 표면적을 개선하고 최적화하기 위해 매우 경제적이면서 공정이 간단해 상업화가 가능성이 큰 표면 코팅 기술을 사용했다.

 

유 교수 연구팀은 마찰전기 필름을 마찰전기 나노발전소자 제작에 사용했다. 이 소자는 마찰전기 발생이 열악하다고 알려진 고습한 환경에서도 외부 기계 에너지가 작용하면 높은 전기 성능을 나타냈다. 또 마찰전기 필름의 표면적 크기를 여러 개로 변화시켜서 나노발전소자의 전기적 성능의 효율을 체계적으로 분석하기도 했다.

 

▲ 경희대 연구팀, 폐섬유 활용 웨어러블 전자 소자 개발  © TIN뉴스

 

유 교수 연구팀은 다양한 표면적 유도 마찰전기 필름을 비교해, 유효 표면적에 따라 전기성능의 변화도 확인했다. 아울러 마찰전기 필름에 높은 다공을 유도해 외력이 가해지면서 전하 발생이 향상성도 증명했다.

 

관련 논문의 주 저자인 Sontyana Adonijah Graham 학생(박사 4기)은 “효율적이고 착용 가능하며 환경친화적이고 지속가능한 기계 에너지 수확 장치를 만드는 것이 목표”라며 “녹색 에너지원으로 에너지위기와 기후위기를 극복하는 연구를 계속하고 싶다”라고 말했다.

 

이번 연구 성과는 ‘Integrated Design of Highly Porous Cellulose-Loaded Polymer-Based Triboelectric Films toward Flexible, Humidity-Resistant, and Sustainable Mechanical Energy Harvesters’라는 논문으로 에너지 분야의 저명 국제학술지인 ‘ACS Energy Letters’(IF: 19.003, JCR Top 3.5%) 7월호에 게재됐다.

 

김상현 기자 tinnews@tinnews.co.kr

 

https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsenergylett.0c00635/suppl_file/nz0c00635_si_001.pdf

 

 

 

 

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