배터리 교체나 충전 없이도 센서와 로봇을 구동할 수 있는 새로운 전력 기술이 개발됐다. 

값싸고 흔한 플라스틱(PVC)으로 직류 전력을 직접 생산하는 나노발전기를 구현해, 스마트 물류·헬스케어·IoT 기기 등 차세대 전자기기의 자율 구동 가능성을 열었다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 대구경북과학기술원(DGIST) 이주혁 교수 연구팀이 범용 플라스틱(PVC)을 활용해 ‘이온성 직류 마찰전기 나노발전기(iDC-TENG)’를 개발, 정류회로 없이도 다양한 기계적 움직임으로 안정적인 직류 전력 공급이 가능함을 입증했다고 밝혔다.

이온성 직류 마찰전기는 전극 표면에 이온이 축적되어 내부 전기장을 형성하는 원리에 기반한 직류 전력 발생 현상이다.

정류회로는 교류(AC) 전력을 직류(DC) 전력으로 변환하는 전자 회로이다.

사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 스마트 물류 센서 등은 소량의 전력을 필요로 하지만, 배터리 교체와 충전이 큰 부담으로 작용해 왔다. 기존 마찰전기 나노발전기는 기계적 움직임을 전기로 바꿀 수 있었으나, 교류(AC) 전력만 생산해 직류(DC)로 변환하기 위해서는 정류회로가 필요했다.

교류전력(AC)는 전류의 방향과 크기가 주기적으로 바뀌는 전력 형태이고, 직류전력(DC)는 전류가 일정한 방향으로 흐르는 전력 형태이다.

이 과정에서 에너지 손실과 구조적 복잡성이 뒤따랐고, 반도체 소재, 절연 파괴, 기계적 스위칭 등 다양한 대안이 제시됐지만 비용·효율·활용성 측면에서 산업 현장에 널리 적용되기에는 어려움이 있었다.

연구팀은 흔히 쓰이는 플라스틱인 PVC에 가소제를 첨가해 특성을 조절함으로써, 별도의 회로 없이도 직류 전력을 직접 생산할 수 있는 새로운 소자(iDC-TENG)를 구현했다.

가소제는 고분자 재료(예: 플라스틱)에 첨가해 유연성과 가공성을 높이는 물질이다.

이 소자는 다양한 움직임에서도 안정적인 전력 공급이 가능하며, 그 작동 원리가 마찰 전하 확산과 전극 표면에 이온이 쌓이면서 내부에 전기장이 만들어지는 현상(전극 분극)이라는 점을 밝혔다.

또한 전극의 성질 차이가 출력 크기에 큰 영향을 미친다는 사실도 확인했다. 최적 조건에서 소자는 수십~수백 mW/m²수준의 높은 출력을 안정적으로 발생시켰으며, 실제로 축전기 충전, LED 250개 켜며 센서를 구동하는 데 성공해 실제 응용 가능성을 보여주었다.

mW/m²는 제곱미터(㎡)당 밀리와트(mW)로 나타낸 전력 밀도의 단위이다.

 이주혁 교수는 “이번 연구는 값싼 플라스틱 소재를 활용해 직류 전력을 직접 생산하는 세계 최초의 원리를 제시했다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다”며, “특히 IoT 기기, 웨어러블 전자기기, 자가구동형 센서는 물론, 스마트 물류 현장에서도 폭넓게 적용될 전망이며, 물류창고·운송 로봇·위치추적 센서 등에서 배터리 교체 부담을 줄이고 장기간 자율 구동을 가능케 해, 지속가능한 에너지 자립형 스마트 물류 인프라 구축에 기여할 수 있다.”고 말했다.

다만 현재는 PVC-가소제 기반의 특정 조성에서 가장 우수한 성능을 보였으며, 향후에는 환경 내구성 강화, 대면적·직접화 제작 공정 개발, 장시간 안정성 확보가 중요한 과제로 남아있다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발사업 및 중견연구자지원사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 10월 29일 게재되었다.