[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

자연에서 버려지는 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환해 사용하는 ‘에너지 하베스팅 기술’은 소형 전자기기의 전원 공급 문제를 근본적으로 해결한 방법으로 제시되고 있다. 특히 서로 다른 물질이 스치면서 생기는 마찰전기를 에너지로 바꾸는 기술(마찰대전 에너지화)이 주목받는다.

마찰대전의 에너지화 기술은 매우 초기 단계이지만, 다양한 소재와 구조가 개발되고 마찰대전 메커니즘이 규명되면서 대전률이 최대화되고 있다. 이를 통해 에너지 하베스팅 기술 분야 중에서 실현 가능성이 매우 클 것으로 판단되는 기술이다.

지금까지는 바람 같은 기계적인 에너지를 수확하기 위한 나노발전기(nanogenerator) 기술 연구가 진행돼 왔다. 그러나 소자 구조에 집중하는 경우가 많아 출력 전류와 에너지 변환 효율이 낮고, 사용하는 소재도 고가라는 단점이 있었다. 이런 한계 때문에 기술적으로 높은 가능성이 있는데도 불구하고 상용화가 더딘 상황이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 유전상수를 조절해 발전소자의 출력값과 표면 전하 분포를 분석했다. 이를 통해 마찰대전 발전기의 출력을 향상시킬 수 있음을 증명했다.

유전상수는 액체에 있어서 극성을 나타내는 척도를 의미한다. 물체가 전기를 띠면 양전하(+)와 음전하(-)로 나눠지게 되는데, 이 상태가 얼마나 지속되는지를 따지는 척도가 유전상수다. 유전상수가 높으면 전기적 에너지를 저장할 수 있는 능력이 크다.

이번 연구에서는 원자이동 라디칼 중합(atom-transfer radical polymerization: ATRP)을 이용해 PVDF(polyvinylidene difluoride)라는 고분자에 PtBA (poly(tert-butyl acrylate))를 붙인 고분자 물질을 개발했다. PVDF는 압전효과와 초전 특성을 나타는 강유전성 고분자로 센서와 배터리 장치에 유용하게 사용된다. PVDF 필름은 새로운 열화상 카메라 센서에도 사용된다.

기존 PVDF는 유전상수가 8.6이지만 PtBA를 붙여 중합하면 유전상수가 16.5까지 증가한다. 이 소재를 마찰전기 발전기에 적용한 PVDF 기반 마찰전기 발전기는 기존 PVDF 기반 마찰전기 발전기보다 20배 높은 출력 특성을 보였다.

3. 기대효과

이번 연구는 유전상수 조절로 출력이 좋아진 마찰대전 발전기에 대한 기반 기술이 될 것으로 기대된다. 기존에 제대로 진행되지 않았던 미소(微小)에너지 하베스팅의 문제점을 분석하고 그에 따른 해결책을 제시함으로써 현재 하베스팅 기술의 발전을 더욱 가속화시키며, 새로운 고효율의 에너지 하베스터 개발의 토대를 마련할 것이다.

출력이 향상된 마찰대전 발전기는 일상에서 버려지는 미소에너지를 강력한 에너지원으로 바꿀 수 있는 기술이다. 특히 나무나 건물 같은 고정된 사물부터 자동차 등 움직이는 사물에 이르기까지 일상에 즐비하지만 사용하지 못하는 에너지원을 활용한다면 폭발적인 에너지 하베스팅이 가능할 전망이다. 또한 시공간적 제약 없이 사용 가능하므로 스마트폰과 같은 이동식 전자기기를 충전하는 기술로 활용가능하다. 바람과 진동, 소리, 걷기 등을 통해 충전이나 발전이 가능해지면 인간과 사물, 컴퓨터가 연결되는 유비쿼터스 사회를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

마찰대전 발전기를 바람 영향을 많이 받는 건물 외벽에 하베스팅이 가능하도록 부착하면 심미적인 경관을 연출할 수 있을 뿐 아니라 건물 내에 쓰이는 에너지 공급원으로도 쓸 수 있다. 이는 예술과 기술의 융합을 가능하게 할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 유전상수

전하 사이에 전기장이 작용할 때, 그 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 물리적 단위다. 매질이 저장할 수 있는 전하량으로 볼 수도 있다. 같은 양의 물질이라도 유전율이 더 높으면 더 많은 전하를 저장할 수 있다. 따라서 저장된 전하량이 동일할 때 유전율이 높을수록 전기장의 세기가 감소된다. 그래서 높은 유전율을 가진 물질을 축전기에 넣는 유전체로 사용하면, 축전기의 전기 용량이 커진다.

2. PVDF

PVDF는 Polyvinylidene difluoride이며 VDF의 중합에 의해 생성된 비 반응성을 가진 열가소성 플루오르 중합체다. 불소 함유 열가소성 수지 군에 속해 안전한 화학 구조를 가지고 있다. 전기적인 특성으로 전기절연성이 뛰어나며, 큰 압전 특성을 가진다. 이러한 특성으로 센서와 배터리 애플리케이션에서 유용하게 사용되며, PVDF의 얇은 필름은 열화상 카메라 센서에도 사용되고 있다.

3. PtBA

PtBA는 Poly(tert-butyl acrylate)이며 소수성 고분자이다.

4. 원자 이동 라디칼 중합반응

최근 들어 자유라디칼 중합반응이 사슬정지 혹은 사슬이동의 부재 하에서도 진행될 수 있다는 사실이 입증됐다. 이러한 경우에 라디칼 사슬말단은 모든 단량체가 다 소모돼도 활성을 갖게 된다. 단량체의 추가 유입은 분자량의 증가를 추가적으로 상승시키거나, 단량체의 종류가 다른 경우에는 블록 공중합체(block copolymers)로 이르게 된다. 이렇듯 활성 사슬을 여전히 보유하고 있는 고분자를 리빙 중합체(living polymers)라고 한다.

리빙 라디칼 중합(living radical polymerization)은 비교적 좁은 분자량 분포를 얻어 다양한 반응기와 고차원적인 구조를 가진 고분자를 합성할 수 있는 특징을 가진다. 리빙 라디칼 중합의 한 종류가 바로 원자 이동 라디칼 중합(atom transfer radical polymerization, ATRP)이다.

[붙임] 그림 설명