PVDF 한계 극복...한기대, 초고출력 마찰대전 나노발전 신소재 개발

웨어러블·IoT 전원용 표준 소재 PVDF 구조적 한계 극복
가지형 고분자 결합으로 균일 분산·전기적 특성 확보
전압 76V·전류 2.1μA 기록...순수 PVDF 대비 성능 향상

한국기술교육대학교 전경./사진제공=한기대

한국기술교육대학교(KOREATECH, 이하 한기대)는 최근 배진우 에너지신소재화학공학부 교수 연구팀이 웨어러블·IoT 전원용 표준 소재인 PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드)의 구조적 한계를 극복하고 출력이 3배 향상된 '초고출력 마찰대전 나노발전 신소재'를 개발했다고 20일 밝혔다.

마찰전기 나노발전기(TENG)는 두 물질의 접촉·분리 과정에서 발생하는 정전기를 전기에너지로 변환하는 장치다. 기존 PVDF 기반 소재는 전기활성 β상 형성의 한계로 출력 향상에 구조적인 제약이 있었다.

연구팀은 PVDF에 실리콘을 중심으로 가지처럼 뻗은 구조의 폴리에스터(Si-HBP-G1)를 결합했다. 가지형 Si-HBP-G1은 수산기를 통해 PVDF와 강한 수소결합을 형성, 균일한 분산과 안정적인 전기적 특성을 보였다.

해당 신소재는 손바닥으로 두드리거나 구부리는 동작만으로 전기를 생성하며 △개방전압 76V △단락전류 2.1μA △전력밀도 0.035W/m² 등을 기록했다. 이는 순수 PVDF 대비 전압 3.5배, 전류 3배 향상된 수치다.

분자동역학(MD) 시뮬레이션 분석 결과, Si-HBP-G1 첨가 시 β상 전환 속도는 최대 2배 증가하고 β상 함량은 78.1%에서 85.4%로 늘어났다. 가지형 고분자의 다중 분지 구조가 PVDF 사슬 정렬을 촉진해 전하 발생과 수집 효율을 높인 것으로 확인됐다.

배 교수는 "기존에는 무기 입자를 넣어 성능을 높이려 했지만 분산 문제로 오히려 성능이 떨어지는 경우가 있었다"며 "간단한 가지형 고분자를 도입해 PVDF 분자 배열을 정렬시키는 구조 제어가 이번 연구의 핵심"이라고 설명했다.

한편 이번 연구에는 인도 벨로르공대(VIT)가 참여했으며 △과기정통부·한국연구재단 '중견연구자지원사업' △교육부 '4단계 두뇌한국(BK21) 사업' △산업부 '소재부품기술개발사업' 등의 지원을 받았다. 연구 결과는 복합재료 분야 학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials'에 게재됐다.

배진우 에너지신소재화학공학부 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=한기대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr

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