마찰대전 발전기는 두 물체의 접촉, 분리 과정에서 각 물체 표면이 음극·양극 전하로 대전되면서 전류를 발생시키는 원리를 이용한다. 이번 연구에서는 고분자 황과 불소가 풍부한 고분자를 상분리시켜 음극 물질로 사용해 고성능의 마찰대전 발전을 이루어냈다.
연구팀은 지난 2019년 원유 정제 시 버려지는 황 폐기물을 세계 최초로 마찰대전 발전기의 소재에 응용했다.
고분자 황 필름 표면에 전자친화도가 크고 강한 음전하를 띄는 불소가스를 처리함으로서 기존의 탄소 기반 고분자 물질보다 마찰전기 발전 성능을 높였다. 폴리테트라플루오로에틸렌 필름과 비교했을 때 고분자 황 필름의 경우 6배 이상의 전압과 3배 이상의 전류 출력이 나타났다. 하지만 독성을 가진 불소가스를 사용해 표면처리를 진행했다는 한계점을 갖고 있었다.
이번 연구에서는 독성을 가진 불소가스 대신 불소가 풍부한 저분자량의 고분자를 사용한 비유독가스 합성전략을 이용했다.
고분자 황과 불소가 풍부한 고분자가 블렌드된 필름에 열에너지를 가하면 표면에너지 차이에 의한 상분리가 발생해 불소가 풍부한 고분자가 블렌드된 필름 표면으로 이동한다. 이 블렌드 필름의 마찰전기 발전 결과 폴리테트라플루오로에틸렌 필름보다 전압은 8배, 전류는 9배 이상으로 증가했으며 26시간 이상 안정적으로 전압을 출력할 수 있었다.
위정재 교수는 “이번 마찰전기 발전기 연구는 친환경, 고성능의 마찰대전 에너지 발전에 기여했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 말했다.
연구논문(영문명: Toxic Gas-Free Synthesis of Extremely Negative Triboelectric Sulfur Copolymer Blends Via Phase Separation of Fluorine-Rich Polymers)은 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노에너지(Nano Energy, IF=17.881)’에 게재됐다. 물리학과 최진혁 석사졸업생, 고분자환경융합공학전공 원수경 박사과정생 및 윤혁준 석사졸업생이 공동 제1저자로 참여했다.
해당 연구는 한국연구재단의 집단연구지원 사업(과제명: 마찰 대전 기초 연구실, Zero E-Waste를 위한 자연분해성 복합기능 전자소재 및 친환경공정 개발 기초연구실)과 신진연구 사업(과제명: 나노 구조(0D, 2D)와 계면 간 전하 트랩 상태 연구 및 물리 소자 응용)의 지원을 받아 진행됐다.
박창식 경인본부 기자 ilyo11@ilyo.co.kr
