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- 도미노 중첩 형태의 탄소나노튜브 구조체로 압전 나노발전의 비약적 성능 향상
- 고전압·유연성·대면적 구현, 멀티스택 최적화 기전까지 규명
- 인체의 다양한 움직임에서도 안정적인 에너지 수확 성능 입증

기계·자동차공학과 옥종걸 교수 연구팀은 도미노 중첩 형태의 탄소나노튜브 구조체를 활용하여 기계적 에너지를 효율적으로 전기에너지로 변환하는 차세대 압전 나노발전 소자를 개발하였다고 밝혔다. 

이번 연구는 서울과학기술대학교 김광준 박사과정 학생과 박종원 학부연구생이 공동 제1저자로, 서울과학기술대학교 옥종걸 교수가 교신저자로 참여했다.

최근 웨어러블 전자기기와 사물인터넷(IoT) 센서 등의 발전으로 주변의 진동, 미세한 변형 등 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 자가발전형 소자의 수요가 증가하고 있다. 기존에는 높은 출력전압 특성을 갖는 세라믹 기반 압전 소재와 우수한 기계적 유연성을 갖는 고분자 소재를 혼합한 복합재가 널리 사용되었으나, 높은 유전율 등으로 인하여 전기적 출력을 실용적으로 활용하기 어려운 문제가 있어왔다. 이에 따라 복합재 내부에 정밀히 정렬구조화된 전도성 재료의 통합을 통한 출력 성능의 개선이 요구되는 상황이었다.

연구팀은 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)를 핵심 재료로 하여, 나노스케일의 1차원 고전도성 CNT들을 마이크로스케일의 정렬된 구조체로 만들고, 이를 도미노 중첩 구조로 변환하는 독보적 기술을 개발 적용하였다. 동시에, 본 도미노 중첩 CNT 구조체와 압전 복합재 간의 균일한 혼성화를 위해 모세관 힘을 활용한 정밀 혼성화 공정을 독자 개발하였다. CNT는 고분자 압전 소재의 상 (phase)을 압전에 유리한 상으로 형성하는 것을 촉진한다. 이를 통해, 효율적인 압전 분극 형성에 따라 향상된 출력 특성과 우수한 기계적 유연성을 동시에 갖춘 압전 나노발전 소자를 구현하였다. 나아가, 도미노 중첩 CNT 구조체를 활용함에 있어 CNT 길이의 정밀 제어와 다층 적층 기술에 따른 출력 특성을 최적화하였다.

개발된 압전소자는 약 3 N의 작은 기계적 자극에도 최대 12.3 V의 출력 전압과 267 pC·N-1의 압전계수 (d33)를 기록하였다. 이 소자를 손가락의 굽힙이나, 두드림, 발걸음 등 다양한 일상적 신체 움직임에 적용하여 안정적인 전기적 에너지 발생을 확인하였고, 반복적인 기계적 자극 (2000회 이상)에도 성능저하가 거의 없는 구동 안정성을 입증하였다. 또한 –20°C에서 100°C에 이르는 넓은 온도 범위에서도 안정적으로 작동함을 보임으로써, 해당 기술이 장기적이고, 극한의 환경에서 신뢰성 있는 에너지 발전 소자로 활용될 수 있음을 제시하였다. 본 연구 결과는 전도성 재료 통합 기반 압전 에너지변환 소자의 성능 혁신 및 응용범위 제고 연구 트렌드에 새로운 가이드라인을 제시한다.

교신저자인 서울과학기술대학교의 옥종걸 교수는“이번 연구는 탄소나노튜브의 고유 특성과 정밀 가공 기술을 융합하여 높은 출력과 안정성, 넓은 동작범위를 동시에 갖춘 차세대 압전 나노발전 소자를 구현한 사례”라고 하였다.

본 연구는 교육부(장관 이주호)의 보호연구지원사업과 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 미래유망융합기술파이오니아사업, 기초연구실심화형사업의 지원을 받아 수행되었다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 Advanced Functional Materials (IF = 19.0, JCR 상위 5% 이내)에 최근 온라인 게재되었다(DOI: 10.1002/adfm.202523382).

논문명: Multi-stackable, domino-overlapped CNT scaffolds homogeneously hybridized with BTO-P(VDF-TrFE) for high-performance piezoelectric nanogenerators

▲ 도미노 중첩 탄소나노튜브 구조체 기반 압전 나노발전 소자 제작 과정

▲ 본 압전 나노발전 소자를 신체에 적용한 나노발전 및 넓은 온도영역 대에서의 안정적인 발전 결과