▲ 이온성 직류 마찰전기 나노발전기 모식도 및 가소체 첨가율에 따른 전기발전 형태 변화 / (그림a) 회전형 이온성 직류 마찰전기 나노발전기의 모식도를 나타낸 그림입니다. 위쪽 회전부(구리전극)가 회전하며 아래쪽 가소제 첨가 PVC gel과 마찰하여 전기에너지를 발전시키게 됩니다. PVC gel은 DOA 가소제를 폴리염화비닐(PVC)에 첨가하여 합성하였습니다. (그림b) 이때 가소제의 첨가 비율에 따라 교류(AC)형태의 발전에서 직류(DC)형태의 발전으로 변화하게 됩니다. 교류 형태의 발전은 전자기기의 전력을 공급시 정류(rectifying)해야하지만 직류의 경우 정류 과정이 필요없는 전기에너지로 사용할 수 있습니다.(그림 및 설명=대구경북과학기술원 이주혁 부교수)  © 특허뉴스

배터리 교체나 충전 없이도 스스로 움직이는 센서와 로봇이 현실로 다가왔다.

대구경북과학기술원(DGIST) 이주혁 교수 연구팀이 값싸고 흔한 플라스틱(PVC)으로 직류(DC) 전력을 직접 생산하는 신개념 마찰전기 나노발전기(iDC-TENG) 를 개발, 배터리 없는 자율 구동 시스템의 가능성을 열었다.

한국연구재단은 이번 연구 결과가 국제 학술지 'Nature Communications'(10월 29일 자)에 게재되었다고 밝혔다.

“충전도 배터리도 필요 없다”... 플라스틱이 전기를 만든다

스마트 물류창고, 웨어러블 기기, IoT 센서 등은 미세한 전력만으로 동작하지만, 배터리 교체와 충전의 번거로움이 가장 큰 제약이었다.

기존 마찰전기 나노발전기는 움직임을 통해 전기를 만들 수 있었지만, 교류(AC) 전력만 생산되어 직류(DC)로 변환하기 위한 정류회로가 필수였다. 이 과정에서 에너지 손실과 구조적 복잡성이 뒤따랐다.

이 교수팀은 이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 범용 PVC에 가소제를 첨가해 전하 이동 특성을 조절했다. 그 결과, 별도의 회로 없이도 기계적 움직임만으로 직류 전력을 직접 발생시키는 ‘이온성 직류 마찰전기 나노발전기(iDC-TENG)’를 구현했다.

이 소자는 플라스틱 표면에 축적된 이온들이 내부 전기장을 형성하는 원리를 이용하며, 마찰 전하 확산과 전극 분극 현상을 통해 안정적인 직류 출력을 유지한다.

“LED 250개, 센서까지 구동”…실험으로 증명된 가능성

연구팀은 전극 물질의 성질 차이가 출력 효율에 큰 영향을 미친다는 점을 확인했으며, 최적 조성에서는 수십~수백 mW/m² 수준의 높은 전력 밀도를 얻었다.

실험에서는 발전기로 축전기를 충전하고, 250개의 LED를 점등하며 센서를 직접 구동하는 데 성공했다. 이는 배터리 없는 자가발전형 전자기기 실현을 뒷받침하는 결과다.

“스마트 물류·웨어러블 혁신”…저비용·친환경 전력 기술

이번 연구는 값싼 플라스틱 기반 직류 발전 원리를 세계 최초로 제시했다는 점에서 의미가 크다.

이주혁 교수는 “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, 연구팀은 “현재는 PVC–가소제 조합에서 최적 성능을 확인한 단계로, 내구성 강화·대면적 공정 개발·장시간 안정성 확보가 향후 과제”라고 덧붙였다.

논문명은 Direct Current Generation in Triboelectric Nanogenerators Through Ionic Dynamics and Electrode Polarization Effects이다.