성균관대학교(총장 신동렬)는 화학공학/고분자공학부 박남규 교수(교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자)가 신소재공학부 김상우 교수(교신저자) 및 김보성 연구원(공동 제1저자)과 함께 직류 마찰 발전기를 최초로 개발했다고 밝혔다.

사진=페로브스카이트소재를 이용한 직류마찰 발전기의 직류전압및 전류가발생[그림]

마찰전기 나노발전기*(Triboelectric Nanogenerator)는 마찰에 의한 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기술로, 미세 움직임을 이용하여 전기를 발생해 휴대용 전자기기의 에너지원 뿐만 아니라 사람의 몸의 움직임을 이용하여 피부상처를 치료하는 기술로도 응용될 수 있다. 일반적으로 마찰에 의한 발전은 교류를 수반하고, 교류는 직류/교류 변환기를 사용해야 하는 불편함이 있었다.

박남규 교수와 김상우 교수 공동 연구팀은 페로브스카이트 태양전지로 잘 알려진 할라이드 페로브스카이트 물질을 홀전도체 물질과 마찰할 경우 직류가 발생하는 것을 최초로 발견했다. 페로브스카이트 반도체 필름 위에 스피로계의 유기 홀전도체 막을 마찰하면 두 필름의 계면에 형성된 음전하와 양전하가 열역학적으로 안정한 에너지 준위로 이동하게 되어 전류가 발생한다.

기존의 마찰전기는 마찰 방향에 따라 전류의 흐름이 바뀌기 때문에 교류가 발생하는 반면, 박남규 교수가 개발한 마찰전기는 반도체 접합에서 전하 분리 원리를 따르기 때문에 마찰 방향과 무관하게 직류가 가능하게 된다. 또한 직류 마찰 발전기에 압력을 가하거나 빛을 조사하게 되면 전압과 전류가 증폭되는 현상도 발견했다.

박남규 교수는 “직류를 발생하는 마찰 발전기는 교류/직류 변환기가 필요하지 않기 때문에 전자기기에 응용할 경우 에너지 장치의 부피를 줄 일 수 있다”고 기대를 밝혔다.

김상우 교수는 “미세 전기장이 필요한 상처치료 등에 응용할 경우 기존 교류 마찰전기에 비해 더 우수한 성능을 보여줄 것으로 기대를 모으고 있다”고 말했다.

본 연구는 한국연구재단의 미래소재 디스커버리 과제(NRF-2016M3D1A1027664)와 기초과학연구(NRF-2018R1A2A1A19021947)의 지원으로 수행되었으며, 세계적인 에너지 환경 권위지 ‘에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF=30.289)’에 1월 5일 발표되었다.

※ 논문명 : Dynamic halide perovskite heterojunction generates direct current