전북대 연구진, 성능 10배 나노발전기 개발

‘걸을 때 발생하는 압력에 의해 전기가 생산되는 신발, 마찰로 전기가 생산되는 옷, 흔들기만 하면 전기가 생산되는 물병까지….’

최근 많은 연구진들이 실생활에 응용할 수 있는 에너지 분야 연구에 박차를 가하고 있지만 전기량이 극소량이어서 상용화 단계에 이르지 못하고 있다. 이런 가운데 최근 전북대 연구진이 기존보다 10배 이상 많은 전기를 생산할 수 있는 새로운 형태의 나노제너레이터를 개발해 세계 학계가 주목하고 있다.

25일 전북대에 따르면 한진규 박사와 부상돈 교수(물리학과) 연구팀은 티탄산지르콘산연(PZT) 나노입자의 전왜효과(電歪效果)를 이용해 나노제너레이터 특성을 향상시킬 수 있는 연구 결과를 내놨다. 전왜효과는 반도체 소자 내에 있는 고체 시료의 결정이 찌그러진 상태로 인해 결정 내부에 자발적으로 전기장이 형성되는 효과를 말한다.

연구진은 탄소나노튜브(CNT) 표면에 직접 성장된 티탄산지르콘산연(PZT) 나노 입자 복합체를 용액공정으로 제조하고, 이를 이용해 두 물질이 단순히 혼합돼 있는 복합체에 비해 약 10배 정도 향상된 나노제너레이터 소자를 개발하는 데 성공했다.

고효율 나노제너레이터는 그동안 연구에서 한 단계 더 앞서 나간 것으로써 CNT 위에 압전체 물질의 직접 성장을 통해 두 물질 사이에 결합력을 높여준다. 압전체 내부에 응력구배 형성에 의해 전왜효과가 발생해 전기발생 효율을 향상시킨다는 사실을 밝혀냈다.

그동안 나노제너레이터는 박막이나 나노구조 형태의 압전체로 제작돼 왔는데, 전기 발전 효율이 그리 높지 않았다. 하지만, CNT 와 같은 1차원 전도체와 압전체의 복합체 제작이 전기 전도도와 분산성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있어 2개 물질을 섞는 복합체 제작 연구가 최근 미국과 중국, 국내 유수 연구진 등에 의해 이뤄져왔다.

부상돈 교수는 “PZT 나노입자의 발전 특성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주는 것이자 차세대 에너지원으로써 나노제너레이터 상용화 가능성을 한층 높여주는 중요한 연구결과”라며 “향후 보다 진전된 연구가 이뤄지면 전기 발생이 가능한 웨어러블 등 다양한 분야에 활용할 수 있게 돼 에너지원 부족 문제 등을 해결할 수 있는 대안이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계 최고 저널인 네이처의 자매지 중 하나인 ‘사이언티픽 레포트’ 최신호 온라인판에 게재됐다.

전주=김동욱 기자 [e-mail]