DGIST, ‘고분자 전해질’ 기술 개발…전기 생산 효율 4배 높인 차세대 전기 소재로 평가

디지스트(DGIST·총장 이건우)는 이주혁 에너지공학과 교수팀이 이원호 국립금오공과대학교 교수팀과 공동연구를 통해 마찰대전 발전 소재의 핵심 성질인 '극성'을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 설계 전략을 세계 최초로 제시했다고 23일 밝혔다.

고분자 전해질을 활용해 극성 방향을 구조적으로 조절하고, 장기 내구성까지 향상시킨 것이 핵심인 이번 연구성과는 최근 재료과학 분야 세계적 권위지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 10월 표지논문으로 게재됐다.

왼쪽부터 DGIST 이주혁 교수, 주현서 박사과정생, 금오공과대학교 이원호 교수, 박수진 석사과정생

마찰대전 발전 기술은 마찰을 통해 전기를 만들어내는 방식이다. 배터리 없이도 전력을 생산할 수 있어 주목받고 있다. 하지만 기존의 이온성 액체 기반 소재는 누액, 환경 불안정성, 내구성 저하 등으로 인해 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 이온이 고분자 사슬에 고정된 '고분자 전해질'을 설계하고, 이 소재를 활용해 마찰대전 극성을 원하는 방향으로 조절할 수 있는 플랫폼 개념을 새롭게 제안했다. 이로써 출력 향상뿐만 아니라 소재 설계의 유연성까지 확보하게 됐다.

실제로 연구팀은 양이온성과 음이온성을 가지는 다양한 고분자 전해질을 합성해 성능을 비교 분석했다. 그 결과, 양이온 고분자인 P(MA-A⁺20)TFSI⁻는 기존 소재(PMA)보다 약 2배 향상된 83V의 출력을 기록했고, 음이온 고분자인 P(S-S⁻10)Na⁺는 기존 소재(PS) 대비 4배 높은 34V의 출력을 보였다. 이 실험으로 고분자 구조에 따라 마찰대전 극성(양극·음극성)을 조절할 수 있고, 이온 조성비를 통해 출력 성능도 조정 가능함을 입증했다.

또 고분자 사슬에 이온이 고정된 구조 덕분에 불필요한 이온 이동으로 인한 전하 손실이 줄어들고, 60℃ 고온 환경에서도 일주일 이상 출력 저하 없이 안정적으로 작동하는 우수한 열적 안정성을 확보했다. 반면, 기존 방식인 고분자-이온성 액체 혼합물은 같은 조건에서 약 27%의 출력 감소를 보여 고분자 전해질 기반 소재의 우수성이 입증됐다.

이주혁 교수는 “이번 연구는 단순한 성능 향상을 넘어, 고분자 구조를 설계함으로써 마찰대전 극성 자체를 조절할 수 있는 개념을 제시한 데 의의가 있다”며, “향후 차세대 에너지 하베스팅 소자 설계에 새로운 방향성을 제시할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 '나노미래소재원천기술개발사업'의 지원을 받아 수행됐다. 공동 제1저자는 DGIST 주현서 박사(연구 당시 박사과정), 금오공대 박수진 연구원(연구 당시 석사과정)이다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com