배진우 한기대 교수팀, 고분자-금속 복합화 마찰전기 향상 메커니즘 규명

고분자-금속 복합화로 전하 이동 효율 극대화...TENG 기술 상용화 기대
"웨어러블·IoT 자가발전 핵심 기술로 활용할 수 있을 것"

권태혁 기자 | 2025.04.08 16:12

한국기술교육대학교 전경./사진제공=한기대

한국기술교육대학교는 최근 배진우 에너지신소재화학공학부 교수 연구팀이 고성능 마찰대전 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, 이하 TENG)를 구현할 수 있는 고분자-금속 복합소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

기존 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 기반 TENG는 출력 성능이 낮고 기계적 신뢰성이 떨어진다는 한계가 있었다. 특히 저주파 진동과 같은 환경에서 에너지 수확 효율이 급감했다.

배 교수팀은 니켈이 도핑된 코발트 페라이트(Ni/CoFe₂O₄, N-CF)를 전기방사 방식으로 제작한 PVDF 복합소재에 적용했다. 이를 통해 기존 TENG의 한계였던 낮은 출력과 높은 마찰 손실 문제를 극복했다.

연구팀은 코발트 페라이트의 우수한 전도성과 전하 트래핑 특성 등을 활용해 복합소재 내 전기 활성을 유도하고 유전 특성을 높였다. 특히 마찰 계면에서의 전하 이동 효율을 극대화하는 데 중점을 뒀다.

실험 결과, 3 wt% N-CF가 적용된 복합소재 기반 TENG(Al/PNC3-TENG)는 개방회로 전압 421V, 단락전류 1.0μA, 전력밀도 0.42W/㎡를 기록했다. 기존 PVDF 기반 장치 대비 약 19배 향상된 성능을 보인 셈이다.

해당 장치는 30개의 LED와 스톱워치 디스플레이를 실시간으로 구동했으며, 2만5000회 이상 반복 작동에도 출력 저하 없이 안정성을 유지했다.

가줄라 프라사드 연구교수는 "이번 연구는 단순한 출력 향상을 넘어 고분자와 금속 산화물 간 상호작용 메커니즘을 규명한 데 의의가 있다"고 말했다.

배 교수는 "이번 연구는 TENG 기술 상용화를 앞당길 수 있는 전환점"이라며 "웨어러블 전자기기와 스마트 센서, IoT 기반 자가발전 시스템 등 다양한 분야에 실질적인 솔루션을 제공할 것"이라고 전했다.

한편 이번 연구는 과기정통부와 한국연구재단이 추진하는 '창의도전 연구기반지원사업', '이공분야기초연구사업'(중견연구)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials'(IF=23.2) 온라인판에 게재됐다.