박재영 교수팀, 자가충전 친환경 전력 셀 개발

- 정류 및 전력관리 회로가 필요 없는 자가충전 친환경 전력 셀 -

- 마찰전기 나노발전기와 슈퍼커패시터로만으로 동작 -

- 국제 저명 학술지 엘시비어 출판의 나노 에너지에 논문 (IF:19.069) 게재 -

본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 마찰전기 나노발전기로부터 수확된 에너지를 별도의 정류 및 전력관리 회로 없이도 슈퍼커패시터에 바로 충전할 수 있는 전력 셀 (Power Cell)을 개발하였다. 연구팀이 개발한 자가충전 전력 셀 (Self-charging Power Cell)는 두 개의 마찰전기 나노발전기와 하나의 슈퍼커패시터가 일체화 된 디바이스로 메타버스, 게임, 스마트 홈 등 다양한 IoT 제품에 활용 가능하다.

<박재영 교수(좌)와 쿠마르 석박통합과정(우)>

저전력 사물 인터넷(IoT) 와 스마트 전자 장치 기술의 급속한 발전으로 지속 가능한 친환경 에너지 수확 및 에너지 저장 장치에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 현재 에너지 저장 장치로 사용되고 있는 배터리는 장기적으로 환경에 부정적인 영향을 미치고, 충방전율이 낮고, 수명이 짧다는 단점이 있다. 하지만 슈퍼커패시터는 배터리에 비해 빠른 충방전 속도, 긴 수명, 높은 전력 밀도로 인해 잠재적인 미래 에너지 저장 장치로 기대되고 있다. 따라서 반영구적 전원기술인 친환경 나노발전기를 이용하여 에너지를 수확하고 슈퍼커패시터에 저장하려는 연구가 활발이 이루어지고 있지만, 복잡한 외부 정류 및 전력관리 회로가 필수적이며, 전력손실이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 에너지 수확 및 저장 장치를 하나의 디바이스로 일체화 하는 것은 매우 중요한 과제이다.

본 연구팀은 유연 슈퍼커패시터의 양단에 마찰전기 나노발전기를 일체화 하여 별도의 정류 및 전력관리 회로가 없이도 자가충전이 가능한 전력 셀을 성공적으로 개발하였다. 이온성 액체 전해질이 포함된 PVDF 고분자 필름의 상단에 구리/레이저 유도 그래핀/코발트 나노다공성 탄소(Cu/LIG/Co-NPC) 층을 형성하여, 상단 마찰전기 나노발전기의 음전하 대전층으로 사용하였다. 양전하 대전층으로는 나일론 6/6 나노섬유를 사용하여 접촉분리 모드로 동작시켰다. 하단에는 구리/나일론 6/6 나노섬유를 마찰전기 나노발전기의 양전하 대전층으로 사용하였고, 코발트 나노다공성 탄소/레이저 유도 그래핀/구리(Co-NPC/LIG/Cu)를 음전하 대전층으로 사용하였다.

수직 압축력이 가해지면 슈퍼커패시터의 상단 및 하단의 마찰전기 나노발전기와 접촉하여 슈퍼커패시터의 전해질에 존재하는 이온을 전극층으로 유도하는 전기장을 생성한다. 이것은 슈퍼커패시터 충전을 담당하는 전해질/전극 인터페이스 근처에 전기이중층(EDL)을 형성한다. 제작된 자가충전 전력 셀은 25.60mF/cm^2의 면적 커패시턴스, 0.0278mW.h/cm^2의 에너지 밀도 및 0.089mW/cm^2의 전력 밀도를 나타내었다. 또한 제작된 유연마찰전기 나노발전기는 2.5mW의 출력 전력을 나타내었고, 이는 9초의 짧은 시간 내에 슈퍼커패시터를 최대 210mV까지 성공적으로 충전할 수 있으며, 기존에 발표된 디바이스들과 비교하여 가장 우수한 자가 충전 특성을 나타내는 것이다. 이러한 우수한 성능은 더 큰 마찰 전위, 액체 전해질의 더 높은 이온 전도도 및 Co-NPC/LIG 전극의 넓은 표면적을 적용했기 때문이다. 마지막으로, 자가충전 전력 셀의 동적 및 정적 신호는 게임 인터페이스에서 T-REX의 '점프' 및 '덕' 동작을 제어하는데 성공적으로 활용되었으며, 셀의 다양한 충전 전압 수준은 스마트 홈 및 가전 제품을 효율적으로 제어하기 위한 스마트 스위치로도 활용 가능하다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 (NRF-2020R1A2C2012820)와 산업통상자원부 기술혁신사업 (NRF-2020R1A2C2012820)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 에너지 소재 및 소자 전문 저널인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 나노에너지 (Nano Energy, IF: 19.069)에 게재되었다. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107713

<고성능의 비접촉식 마찰전기 유연 나노발전기와 스마트 IoT 응용 예시>