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늘리거나 굽히면 전구가 반짝…스스로 전기 만드는 소재 나왔다

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늘리거나 굽히면 전구가 반짝…스스로 전기 만드는 소재 나왔다

2020.12.14 13:18
한국화학연구원 제공
늘리거나 굽히는 다양한 형태 변형에 반응해 전기를 생산하는 자가발전 소재가 개발됐다. 한국화학연구원 제공

늘리거나 구부리면 발생하는 정전기를 활용해 전구에 불이 들어오는 수준의 전기를 만드는 자가 발전 소재가 국내에서 개발됐다. 늘림과 굽힘이 동시에 일어나는 사람의 관절 동작에 최적화돼 웨어러블 기기에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

 

이수연 한국화학연구원 화학소재연구본부 선임연구원, 최영민 책임연구원 연구팀은 늘리거나 굽히는 변형에 반응해 스스로 전기를 생산해내는 새로운 정전기 소재를 개발했다고 이달 14일 밝혔다.

 

자가발전은 몸에 장착하는 웨어러블 전자기기를 충전 없이 활용할 수 있는 대안으로 주목받는다. 신소재 분야에서는 사람의 움직임으로 발생하는 변형을 전기에너지로 바꿀 수 있는 신축성 자가발전 소재가 연구되고 있다. 또 두 물체가 전하를 띠는 것을 이용해 서로 다른 물질이 닿았다 떨어질 때 만다는 정전기를 이용한 연구도 활발하다. 다만 정전기는 마찰만 이용해 전기를 생산해야 해 웨어러블 기기 적용에 한계가 있었다. 신축소재도 늘릴 때만 전기를 만들 수 있어 다양한 동작에서 전기를 얻어내지 못하는 단점이 있었다.

 

연구팀은 늘리거나 구부려도 전도성은 바뀌지 않으면서 형태만 변하는 새로운 전극 소재층을 개발했다. 그 위에 전하를 띠는 속성이 강한 폴리우레탄폼을 코팅해 두 층을 하나의 소재로 합쳤다. 이 소재는 늘어나거나 굽혀지면 우레탄폼이 전극층보다 더 늘어나면서 두 층 사이에 마찰을 발생시키게 된다. 우레탄폼은 돌기 형태로 만들어 늘리거나 구부릴 때 전극층과 마찰 표면적을 최대화했다.

 

한국화학연구원 제공
한국화학연구원 제공

그 결과 늘림과 굽힘을 가했을 때 320V의 전압과 25마이크로암페어(㎂·100만분의 1A) 전류를 만드는 것으로 나타났다. 이는 20개 이상 LED를 연결해도 구동할 수 있는 정도다. 이 소재는 단순히 늘렸을 때보다 늘리면서 구부림을 동시에 가하면 5배 많은 전기를 생산하는 것으로 나타났다. 연구팀은 “신체 관절이 늘림과 굽힘이 동시에 일어나는 것을 고려하면 웨어러블 기기 적용에 유리하다”고 설명했다.

 

이 선임연구원은 “이번에 개발한 고출력 에너지 발전소재는 마찰대전 특성이 큰 고분자 소재를 다양한 형태변형이 가능할 수 있도록 새롭게 디자인해 기존 소재 한계를 극복하고 고출력 에너지 하베스팅 분야에 활용할 수 있다”며 “4차 산업혁명에 필수적인 자가발전 소재로 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 

연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 에너지 레터스’ 11월호 표지논문으로 실렸다.

 

 

 

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