광운대 하태준 교수, 자가 구동 휴대용 전자 기기를 위한 Co-MOF@PVDF 기반 웨어러블 마찰 전기 나노 발전기 개발

광운대학교 하태준 교수(전자재료공학과) 연구팀은 Cobalt (Co) 기반 MOF (Metal organic Framework)를 적용한 Polyvinylidene fluoride (PVDF) 박막을 제작하고 이를 이용하여 지속적인 발전이 가능한 마찰 전기 나노 발전기를 개발하는데 성공하였다.

이번 연구 결과는 WILEY에서 발행하는 재료 과학 분야에서 최상위 국제 학술지인 Energy & Environmental Materials (IF: 15.0, JIF ranking: 92.8%)에 Wearable Triboelectric Nanogenerators Based on Printed Polyvinylidene Fluoride Films Incorporated with Cobalt-Based Metal-Organic Framework for Self-Powered Mobile Electronics 제목으로 게재되었다.

최근 외부 전원 없이 자가 구동이 가능한 모바일 및 소형 전자 기기에 대한 관심이 높아지면서, 지속 가능한 전력 생산을 할 수 있는 에너지 하베스팅 기술이 큰 주목을 받고 있다. 특히, 웨어러블 마찰 전기 나노 발전기 (Triboelectric nanogenerators: TENGs)는 인체의 다양한 물리적 움직임으로부터 전기 에너지를 생성할 수 있다는 점에서 다양한 연구 개발이 진행되고 있다.
Polyvinylidene Fluoride (PVDF)는 높은 물리적 유연성과 tribonegativity 특성으로 인해 웨어러블 마찰 전기 나노 발전기의 재료로 사용되어 오고 있다. 그러나, 상온에서 반대 방향으로 정렬된 극성을 가지는 α-결정상의 PVDF를 적용할 경우 출력 특성이 좋지 못하는 문제가 발생하게 된다.

이에 본 연구팀은 고온의 열처리 없이 PVDF에 Co 기반 MOF를 적용하여 단일 방향으로 정렬된 구조를 갖는 β-결정상으로의 상 전이를 유도하였고, MOF의 금속 이온 종류, 농도, 그리고 파티클 사이즈를 최적화함으로써 194 V의 Voc (Open-circuit voltage)와 18.8 μA의 Isc (Short-circuit current)라는 높은 출력 특성을 가지는 웨어러블 마찰 전기 나노 발전기를 구현할 수 있었다. 특히, 웨어러블 목적에 맞게 45 oC, 60 %의 변형률하에서 10000번의 반복 굽힘에도 안정된 출력 성능을 보여주었으며, Sliding-mode 마찰 전기 나노 발전기를 정류기 및 제어 유닛과 결합하여 인체의 작은 움직임에도 전력을 생산하여 회로에 공급함으로써 외부 전원 없이도GPS 장치의 구동을 성공적으로 시연하였다.

한편, 이번 연구는 본교 하태준 교수 연구팀 단독 연구로 진행되었으며, 미래창조과학부가 주관하는 한국연구재단 중견연구지원 사업으로 수행되었다. 또한, 제 1저자인 김명현 학생은 석사 과정 3학기만에 최상위 국제 학술지에 논문을 게재하는 성과를 냈다.

온라인 중앙일보