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Research

인체에 무해한 소재를 이용한 '마찰전기 나노발전기' 개발

  • 조회. 131
  • 등록일. 2021.06.07
  • 작성자. 대외협력팀

 DGIST 김회준 교수팀, 친환경 생체적합성 소재의 금속유기골격체를 탑재한 고효율 마찰전기 나노발전기 개발 
 저전력 전자기기의 에너지원 및 자가발전 의료기기 센서 분야 적용 기대돼 

 

[크기변환]관련사진1.DGIST 로봇공학전공 김회준 교수(좌)와 연구진들
 


 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 금속유기골격체(MOF)1)를 탑재한 마찰전기 나노발전기를 개발했다. 친환경적인 소재인 사이클로덱스트린(Cyclodextrin)을 이용해 개발된 금속유기골격체는 골격체 내부에 다양한 화학물질을 탑재할 수 있는 능력도 함께 갖춘 소재로, 향후 이를 활용해 새로운 개념의 나노발전기 제작에 큰 영향을 줄 것으로 보인다.

 화석연료나 핵연료 같은 현재 주요 에너지원들은 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있다. 따라서 자연에서 버려지는 기계, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 전환하는 기술에 관심이 높다. 그 중에서도 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는 압전(壓電), 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료기기, 사물인터넷 센서, 자가발전 전자시스템 등 다양한 분야 적용이 기대되는 유망기술이다.

 특히 ‘마찰전기 나노발전기(TENG, Triboelectric Nanogenerator)’는 표면 간 접촉으로 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 바탕으로 전기적 에너지를 생성한다. 하지만 기존 TENG의 효율성을 위해 사용해온 세라믹 나노 복합재료는 환경문제와 생체적용에 적합하지 않다는 한계점이 있어왔다.

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 약물전달에 많이 쓰이는 사이클로덱스트린(Cyclodextrin) 소재의 금속유기골격체를 활용, 고효율 마찰전기 나노발전기를 개발했다. 사이클로덱스트린은 친환경 소재로, 심지어 먹을 수도 있을 만큼 무독성이며, 인체삽입도 가능한 소재다.

 또한 김 교수팀은 사이클로덱스트린 소재의 금속유기골격체를 이용해 만든 3개의 마찰전기 나노발전기판들을 서로 연결시킨 Z모양의 유연한 나노발전기를 제작했다. 제작된 나노발전기는 가방이나 신발과 같은 사물이나 신체 부위에 고정, 움직임이 발생할 때 3개의 나노발전기판이 서로 유연하게 접혀 발생하는 마찰에너지를 전기에너지로 전환, 에너지를 저장한다. 이렇게 저장된 에너지는 계산기, 손목시계 같은 작은 전자기기를 작동시킬 수 있을 만큼 충분해, 향후 다양한 활용이 기대된다.

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 “로봇적용 촉각센서를 연구하며 압전, 마찰전기 나노발전기에 관심을 갖게 됐다”며 “단순히 발전기소자만을 개발하는 것에 멈추지 않고 실제 응용분야에 맞는 소자 개량을 통해 실생활에서 사용가능한 나노발전기 개발을 목표로 연구를 계속할 것이다”고 했다.

 한편, 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 국제적 재료 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 4월 19일(월) 온라인 게재됐으며, 올해 7월 발간예정인 저널의 표지논문으로 선정됐다.

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1) 금속유기골격체(Metal Organic Framework): 금속 이온이나 금속을 포함한 뭉치가 유기 리간드로 연결된 다공성 물질

 

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연구결과개요


A Green Metal–Organic Framework‐Cyclodextrin MOF: A Novel Multifunctional Material Based Triboelectric Nanogenerator for Highly Efficient Mechanical Energy Harvesting
Sugato Hajra, Manisha Sahu, Aneeta Manjari Padhan, In Sang Lee, Dong Kee Yi, Perumal Alagarsamy, Sitansu Sekhar Nanda, Hoe Joon Kim*
(Advanced Functional Materials, on-line published on April 19th, 2021) 


 기존 에너지원인 화석연료, 핵연료는 자원고갈 및 환경오염 등 다양한 문제점을 안고 있으며 이를 대체할 새로운 에너지에 대한 연구는 계속되고 있다. 특히, 자연에서 버려지는 기계/열/태양 에너지를 저기에너지로 전환하는 친환경 에너지 전환 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 기계적 에너지를 전기에너지로 전환하는 압전 (piezoelectric) 및 마찰전기 (triboelectric) 나노발전기는 웨어러블 의료기기, 사물인터넷 센서, 자가발전 전자시스템 등 다양한 분야에 적용이 기대되는 유망기술이다.
 특히, 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator, TENG)는 표면간의 접촉이 있을시 발생하는 마찰전기 대전현상과 정전기적 유도현상을 바탕으로 전기적 에너지를 생성하는 기술이다. 정전기와 마찰전기는 모든 표면에서 존재하는 에너지이며 표면 종류, 접촉 강도 등에 의해 발생되는 전기 에너지가 달라지게 된다.
 본 연구에서는 약물전달에 많이 쓰이는 Cyclodextrin 이라는 금속유기골격체 (Metal Organic Framework, MOF)를 계면으로 활용한 고효율 마찰전기 나노발전기를 소개한다. Cyclodextrin은 친환경 소재일 뿐만 아니라 3차원 구조를 형성함으로써 생긴 빈공간에 다양한 화학물질을 탑재할 수 있어 여러 기능성 소재를 융합할 수 있다는 장점도 가지고 있다.
 Cyclodextrin의 마찰전기 나노발전기 적용은 세계 최초로 보고되었으며, 높은 에너지 전환효율을 바탕으로 계산기, 손목시계 등 다양한 전자기기를 구동할 수 있으며, 또한 자가발전 (self-powered) 센서로 활용됨을 보여주었다. 본 개발 기술은 기존 마찰전기 나노발전기의 효율뿐 아니라 친환경/생체적합성을 바탕으로 인체 삽입형 에너지원으로서도 적용이 기대된다.
DOI : 10.1002/aenm.202003769


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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존 마찰전기 나노발전기는 고효율 재료로서 세라믹 나노 복합재료를 사용해 왔으나 환경문제와 생체적용에 적합하지 않다는 문제점이 존재해 옴.
이제껏 적용되지 않은 친환경/생체적합성 소재인 Cyclodextrin을 적용하여 높은 에너지전환 효율을 달성하였음.
마찰전기 발생계면 뿐 아니라 나노발전기 전체를 친환경 소재로 제작하였으며 이는 새로운 응용분야를 가능케 할 것으로 기대함.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
상대적으로 낮은 전력을 필요로 하는 사물인터넷 환경센서, 웨어러블 의료기기 등의 전력원으로 사용될 수 있으며 배터리와 달리 반 연구적으로 활용될 수 있다는 장점이 있음.
본 연구에서 개발한 친환경 나노발전기는 향후 인체 삽입형 전력원으로서도 활용이 기대됨.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
현존 전자기기 에너지원인 배터리를 대체하기 위해서는 지금의 큰 크기와 상대적으로 낮은 에너지 효율이 극복되어야 함.
또한 불규칙한 기계적 에너지를 전자기기에서 쓰일수 있도록 하는 에너지 변환 회로부의 설계 및 융합도 당면 과제임.
실용화까지는 몇 년 걸릴 수 있으나 응용분야에 따라 그 시간이 달라질것으로 예상 함.

Q. 연구를 시작한 계기는?
본 연구진은 로봇적용 촉각센서를 연구하던중, 자체적으로 에너지를 발생시키며 센싱이 가능한 압전/마찰전기 나노발전기에 관심을 두게 되었음.
특히 인체적용에 최적화된 친환경/생체적합성 나노발전기의 개발을 고민하던 중 약물전달에 활용되는 Cyclodextrin이라는 물질의 마찰전기 발전 원리 및 나노발전기 재료로서의 가능성을 검증하게 되었음.

Q. 어떤 의미가 있는가?
본 연구는 기존 마찰전기 나노발전기를 구성하는 재료들에 새로운 패러다임을 제시할것으로 기대하며 향후 인체삽입형 나노발전기 개발연구에 박차를 가할 것으로 기대함.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
단순 발전기소자 개발 단위에서 멈추지 않고 실제 응용분야게 맞게 소자를 개량하여 실생활에서 사용될 수 있는 나노발전기 개발을 목표로 하고 있음.
또한 외부전력이 필요없는 나노발전기 및 에너지 저장장치를 탑재한 로봇 시스템 개발 연구에도 매진하고 있음.


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그림 설명


[그림 1] Cyclodextrin 금속유기골격체 기반 마찰전기 나노발전기

관련사진2.사이클로덱스트린 금속유기골격체 기반 마찰전기 나노발전기



■ (위)친환경/생체적합성 소재인 Cyclodextrin 기반 마찰전기 나노발전기의 디자인
■ (아래왼쪽) 나노발전기 적용 자가발전 운동 모니터링
■ (아래오른쪽) 나노발전기 적용 전력공급

 

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

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