직물형 마찰전기 발전소자 설명 그림. 발전소자 구조(a)는 은(Ag) 코팅 직물 층과 은 코팅 직물 위에 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직으로 합성한 뒤 실리콘 고분자물질인 '폴리디메틸실록산'(PDMS)을 코팅한 층 등 2개 층으로 돼 있다. (b)는 은코팅 직물 위에 산화아연 나노막대를 수직방향으로 합성한 뒤 PDMS 코팅해 나노패턴을 만드는 과정. (c)는 PDMS 나노패턴이 있는 섬유의 전자현미경 사진. (d)는 완성된 웨어러블 마찰전기 발전소자. 신축성이 좋아 구부리거나 잡아당겨 늘여도 발전 성능이 유지될 정도로 내구성이 좋다.

이 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 나노분야 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano) 최신호에 게재됐다.  

마찰전기 발전소자는 서로 다른 두 물질이 마찰을 일으킬 때 발생하는 정전효과와 분극현상을 통해 기계적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것으로 소자의 구조가 간단하고 소재 물질이 다양해 경제적이며 고효율·고출력 발전이 가능하다.

김 교수는 이 연구에서 물리적 안정성이 큰 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 수준의 표면제어를 통해 고출력 직물형 웨어러블 마찰전기 발전소자를 개발했다.

현재 상업화돼 있는 은 코팅 직물 위에 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직배열로 합성하고 이를 실리콘 고분자물질인 PDMS로 코팅하는 방식으로 정전효과와 분극현상이 가능한 나노패턴을 구현했다.  

은 코팅 직물과 나노막대·PDMS코팅 직물이 마찰하면 은 코팅 직물은 양전하를, 나노막대·PDMS코팅 직물은 음전하를 갖게 되고, 두 물질이 붙고 떨어지는 과정에서 양쪽 전극에서 전위차에 의한 전기가 생산된다.  

이렇게 제작된 마찰전기 발전소자를 4x4㎠ 면적으로 만들어 옷의 소매 부위에 부착하고 실험한 결과 출력전압 170V, 출력전류 110㎂의 전기가 생산됐으며 이 전기로 옷에 붙인 LCD, LED를 작동하고 차량용 무선 리모트 키도 구동했다.

직물형 마찰전기 발전소자(WTNG)를 실제 옷에 적용한 예. 발전소자를 4개층으로 쌓아 4x4㎠ 면적으로 만든 발전장치(d)를 손목 윗부분에 장착해 전기를 생산하고 이 전기로 가슴 부위에 장착한 LCD(a)와 LED(b), 손목 부위에 장착한 차량용 무선 리모트키(e)를 작동하는 데 성공했다.

또 신축성이 좋은 직물형태인 이 발전소자는 1만2천번 가동 후에도 생산되는 전기의 전압과 전류량이 줄지 않는 등 기계적 내구성도 뛰어난 것으로 확인됐다.

김 교수는 "추가 회로구성을 통해 전압을 낮추고 전류는 높일 수 있어 수 V, 수 ㎃의 전력을 생산할 수 있다"며 "향후 소모전력이 수∼수십 mW/㎠ 이하급 휴대 전자기기나 사물인터넷에 웨어러블 전원으로 사용할 수 있을 것"이라고 말했다.

그는 또 "직물형 마찰전기 발전소자를 이용하면 외부 전원 없이 작동하는 자가구동형 웨어러블 장치를 구현할 수 있다"며 "이는 지속적 연구를 통해 미래 에너지 산업에서 중요한 에너지 발전 패러다임으로 제시될 수 있을 것"이라고 기대했다.