한국화학연구원(원장 김성수)은 이수연, 정선호, 최영민 박사 연구팀이 움직이거나 휘어지면 스스로 전기를 생산해 낼 수 있는 압전 소재를 개발했다고 18일 밝혔다.

신소재 분야에서 사람의 움직이는 동작을 전기에너지로 바꾸는 유연 자가발전 복합 소재들이 주목받고 있다. 신재생 에너지 발생 기술인 에너지 하베스팅 소자로도 응용되고 웨어러블 전자기기, 사물인터넷 무선 센서 등에 활용될 수 있어 각국에서 활발한 연구를 진행 중이다.

기존 유연 압전 소재는 압력을 받으면 전기를 스스로 생산해내는 특성, 즉 '압전 특성'을 가진 물질과 탄성을 가진 고분자 물질을 섞는 것이 일반적이다. 하지만 섞인 물질간 결합이 없고 입자들이 고르게 분산되지 않아 압력을 줘도 전기를 많이 발생시키지 못했다.

연구팀은 세라믹 나노 입자와 고분자 물질을 화학적으로 단단하게 결합하는 기술을 개발했다. 압전 특성을 띠는 세라믹 나노 입자에 아민 화학 작용기를 붙여주고 이 작용기에 잘 붙을 수 있는 유연한 블록공중합체 고분자 물질을 찾아냈다.  이를 통해 화학적 처리를 하지 않은 소재보다 100배 향상된 신소재를 만들었다.

두 물질을 혼합하고 열처리하면 화학적으로 단단하게 결합돼 입자가 고르게 분산된 유연 압전 신소재를 만들수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 특히 연구팀은 얼마나 많은 나노입자가 고분자 필름 안에 들어가야 최대한 많은 양의 전기를 출력해낼 수 있을지 적정량도 산출했다.

이번 연구성과는 웨어러블 기기, 사물인터넷의 무선센서 등의 핵심소재로 활용될 전망이다.

이수연 박사는 "이번에 개발한 고효율 에너지 발전소재는 압전나노입자와 고분자 사이의 화학적인 결합을 새롭게 디자인해, 기존 소재의 한계를 극복하고 고출력 에너지 하베스팅 분야에 활용할 수 있다는 데 큰 의미가 있다"고 연구의의를 설명했다.

최영민 박사는 "유연 축전기 소재 개발, 균일한 전기 출력이 가능한 자가발전 소재 개발 등의 후속 연구를 진행하고 있다"면서 "관련 기술은 한국·미국·유럽·중국에 특허권리를 확보했고 4차 산업혁명에 필수적인 자가발전 소재로 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌연구실지원사업과 국가과학기술연구회 출연연 기관고유사업으로 수행됐다. 결과는 에너지 분야 학술지 'Energy & Environmental Science' 6월호 전면 표지논문으로 게재됐다.