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  • 직물형 마찰전기 발전소자 설명 그림. 발전소자 구조(a)는 은(Ag) 코팅 직물 층과 은 코팅 직물 위에 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직으로 합성한 뒤 실리콘 고분자물질인 '폴리디메틸실록산'(PDMS)을 코팅한 층 등 2개 층으로 돼 있다. (b)는 은코팅 직물 위에 산화아연 나노막대를 수직방향으로 합성한 뒤 PDMS 코팅해 나노패턴을 만드는 과정. (c)는 PDMS 나노패턴이 있는 섬유의 전자현미경 사진. (d)는 완성된 웨어러블 마찰전기 발전소자. 신축성이 좋아 구부리거나 잡아당겨 늘여도 발전 성능이 유지될 정도로 내구성이 좋다.
국내 연구진이 마찰을 이용해 전기를 만드는 나노 수준의 구조를 직물에 구현한 직물형 마찰전기 발전소자(WTNG)를 개발, 착용형(웨어러블) 전자기기 전원으로 사용할 수 있는 옷 발전장치를 만들었다.

성균관대 신소재공학부 김상우 교수팀은 8일 은(Ag) 코팅 섬유와 산화아연(ZnO) 나노막대 구조, 실리콘 고분자 물질인 폴리디메틸실록산(PDMS)을 이용해 두 물질 간 마찰을 전기로 바꾸는 직물형 마찰전기 발전소자를 개발했다고 밝혔다.

김 교수는 또 직물형 마찰전기 발전소자를 실제 옷에 적용, 외부에서 추가적인 전력 공급 없이 자체 생산한 전기만으로 LED와 LCD를 작동하고 차량의 무선 리모트 키도 작동할 수 있음을 확인했다.

이 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 나노분야 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano) 최신호에 게재됐다.

마찰전기 발전소자는 서로 다른 두 물질이 마찰을 일으킬 때 발생하는 정전효과와 분극현상을 통해 기계적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것으로 소자의 구조가 간단하고 소재 물질이 다양해 경제적이며 고효율·고출력 발전이 가능하다.

김 교수는 이 연구에서 물리적 안정성이 큰 나노미터(㎚=10억분의 1m) 수준의 표면제어를 통해 고출력 직물형 웨어러블 마찰전기 발전소자를 개발했다.

현재 상업화돼 있는 은 코팅 직물 위에 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직배열로 합성하고 이를 실리콘 고분자물질인 PDMS로 코팅하는 방식으로 정전효과와 분극현상이 가능한 나노패턴을 구현했다.

은 코팅 직물과 나노막대·PDMS코팅 직물이 마찰하면 은 코팅 직물은 양전하를, 나노막대·PDMS코팅 직물은 음전하를 갖게 되고, 두 물질이 붙고 떨어지는 과정에서 양쪽 전극에서 전위차에 의한 전기가 생산된다.

이렇게 제작된 마찰전기 발전소자를 4x4㎠ 면적으로 만들어 옷의 소매 부위에 부착하고 실험한 결과 출력전압 170V, 출력전류 110㎂의 전기가 생산됐으며 이 전기로 옷에 붙인 LCD, LED를 작동하고 차량용 무선 리모트 키도 구동했다.

또 신축성이 좋은 직물형태인 이 발전소자는 1만2천번 가동 후에도 생산되는 전기의 전압과 전류량이 줄지 않는 등 기계적 내구성도 뛰어난 것으로 확인됐다.

김 교수는 "추가 회로구성을 통해 전압을 낮추고 전류는 높일 수 있어 수 V, 수 ㎃의 전력을 생산할 수 있다"며 "향후 소모전력이 수∼수십 mW/㎠ 이하급 휴대 전자기기나 사물인터넷에 웨어러블 전원으로 사용할 수 있을 것"이라고 말했다.

그는 또 "직물형 마찰전기 발전소자를 이용하면 외부 전원 없이 작동하는 자가구동형 웨어러블 장치를 구현할 수 있다"며 "이는 지속적 연구를 통해 미래 에너지 산업에서 중요한 에너지 발전 패러다임으로 제시될 수 있을 것"이라고 기대했다.

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입력시간 : 2015/03/08 06:03:23 수정시간 : 2015/03/08 06:03:23
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