신소재공학부 백정민 교수 연구팀, 마찰 전하 유동(Drift) 현상 세계 최초로 밝혀

- 마찰 전하의 유동 현상 규명을 통해 전하 밀도의 이론적 수치에 근접

- 국제적 학술지 Energy & Environmental Science 2023년 1월 온라인 게재

▲신소재공학부 백정민 교수

신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 마찰 전하의 유동(Drift) 현상을 세계 최초로 규명하였으며 이를 통해 세계 최고 출력의 마찰 발전기를 개발하였다.

서로 다른 두 물질이 마찰할 때 발생하는 접촉 대전(contact electrification) 현상을 이용하여 주변의 기계적인 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는 마찰 발전기는 소형전자기기의 전원공급에 이용됨을 입증했으며, 또한 전자 피부, 터치 스크린, 의료 기기 및 보안 시스템에서 순간적인 자극을 감지하는 데에도 사용되고 있다.

그러나 두 표면 사이의 물리적 접촉에 의해 생긴 마찰 전하는 그 밀도가 낮아 소자 출력이 적고 생성된 전하 또한 대부분 표면에 존재해 온도, 습도 등의 외부의 환경적 요인에 의해 그 수치가 급격히 낮아지는 문제점이 제기되어 왔다.

위의 한계를 돌파하고자, 백정민 교수 연구팀은 실리카(SiO2) 나노입자와 2차원 소재인 몰리브덴 설파이드(MoS2)로 구성된 새로운 양전하 대전체를 제조하여 이론적인 수치에 매우 근접한 세계 최고 수준의 전하 밀도(1,072 uC/m2)를 달성하였다. 이는 실리카와 몰리브덴 설파이드 계면에 존재하는 포텐셜에 의해 마찰 전하가 유동하여 계면에 전하가 축적되는 현상에 기인한 것이다.

이는 방사광 광전자 분광법(Synchrotron Radiation Photoelectron Spectroscopy, SRPES)을 통해 실리카와 몰리브덴 설파이드 계면에 전기 포텐셜(Potential)이 생기고, 이로 인해 마찰 전하가 유동하여 계면에 전하가 축적되는 현상에 의한 것임을 세계 최초로 밝혔다.

이러한 우수한 특성을 바탕으로 세계 최고 수준의 출력(14.75 W·m-2)을 달성하였으며 기존 마찰 발전기 보다 10배 이상 충전 속도를 향상시켰다.

백정민 교수는 “이 연구는 기존 마찰 발전기의 근본적인 한계인 낮은 전하밀도를 소재원천 기술을 통해 획기적으로 개선했다는 데서 큰 의미가 있으며, 안정적이고 높은 소자 출력을 통해 에너지 하베스팅 뿐만 아니라 다양한 센서 기술에도 응용이 가능하다 ”라고 밝혔다.

백정민 교수팀은 이미 관련 국내·외 특허 2건을 출원한 상태이며, 향후 관련 기술을 이용해 다양한 분야에서의 상용화 연구를 진행 중이다.

백정민 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 12월 삼성미래육성사업 후속과제에 의해 지원되었으며, 연구결과는 국제적 학술지인 Energy & Environmental Science (IF = 39.714)에 2023년 1월 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Electric-field-driven interfacial trapping of drifting triboelectric charges via contact electrification

※ DOI: 10.1039/D2EE03114K