전기연구원, 마찰력으로 전기 생산 '소자' 개발

다양한 극한 상황에서 전기 공급…국제 학술지 게재

다양한 극한 상황에서 자가충전 전원공급 가능한 소자가 한국전기연구원(KERI) 나노융합연구센터연구팀에 의해 개발됐다.

7일 KERI 나노융합연구센터연구팀은 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 기술이라고 소개했다.

옷, 신발, 시계 등 다양한 형태로 몸에 착용이 가능한 웨어러블 전자기기는 현재 외부 전력을 공급받아 배터리에 충전해 사용하는 경우가 다수다. 그러나 미래 사회에는 기기 자체가 전력원이 돼 전기를 스스로 생산하고 공급하는 방식이 더욱 주목받을 것으로 전망된다.

▲한국전기연구원이 개발한 완전히 신축 가능한 웨어러블 전자기기용 자가충전 전원공급 소자 모습.ⓒ한국전기연구원

기존 연구에서는 완전히 신축 가능한 ‘마찰 전기 나노발전기’가 개발된 사례가 있었으나 안정적으로 전기를 저장, 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 떨어질 뿐만 아니라 제작 단가도 높았다.

KERI 연구팀은 이에 10여년 이상 축적해 온 나노융합 기술을 기반으로 우수한 전기 전도성 물성을 가진 ‘단일벽탄소나노튜브'를 신축성 있는 ‘고분자(폴리머)’와 효과적으로 섞는 방식을 활용했다.

이를 통해 전류를 전달하는 ‘집전체’는 물론 에너지를 저장하는 ‘전극’의 역할까지 동시에 수행할 수 있는 소자를 개발했다.

소자는 모든 방향으로 신축이 가능하고 연구원 자체 성능 테스트 결과 1만회 이상 사용해도 견딜 정도로 내구성도 매우 뛰어나는 평가다.

KERI 연구팀이 개발한 소자는 국방·레저 등 분야에서 중요한 전력 공급원으로 활용될 것으로 예상된다.

특히 KERI 기술을 적용하면 군복, 군화, 군모, 전투용 배낭 등에서 발생하는 마찰력으로 전기를 생산할 수 있다.

또한 레저 분야에서도 등산복 등에 자가충전 전원공급 소자를 적용하면 긴급한 상황에서 손전등이나 스마트폰 충전의 전력원으로 요긴하게 활용할 수 있다.

미래 웨어러블 전자기기 분야에 새로운 패러다임을 제시할 한국전기연구원의 ‘자가충전 전원공급 소자’ 관련 연구결과는 국제 저명 학술지 ‘나노 에너지'에 게재됐다.

‘나노 에너지'는 재료 분야 저널인용지표(JCR) 상위 4.6% 국제 저명 학술지이다.

이번 연구는 한국연구재단의 글로벌프론티어 사업(과제책임자 한중탁), 산업부 기술혁신 사업(과제책임자 서선희), KERI 기본사업(과제책임자 이건웅)과 함께 진행됐다.