최근 물리학과 강대준 교수 연구팀은 제1 저자인 Yongteng Qian 박사와 함께 화학 공학과 김동환 교수와의 공동 연구를 통해 co-triboelectric 층으로 초박형 니켈 텔루 라이드 나노 벨트를 사용하여 폴리 디메틸 실록산 기반 유연한 마찰 전기 나노 발전기의 출력 전력 밀도를 극대화하는 연구 결과를 발표하였다.

마찰전기 유연 나노발전기는 신체의 움직임이나 풍력 및 수력 등과 같은 다양한 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 기계적 에너지를 수확하여 전력 공급 및 센싱 등으로 이용할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 마찰전기 나노발전기의 출력 성능을 증대하기 위해서는 마찰대전 물질(triboelectric materials)을 합리적으로 선택하는 방식이 일반적인 전략이다. 이에 폴리디메틸실론산 (PDMS(polydimethylsiloxane)은 탁월한 인장강도와 유연성, 그리고 우수한 전기음성도로 인해 마찰전기 유연 나노발전기 제작에 널리 이용되고 있다. 그러나 이를 이용한 마찰전기 나노발전기는 소형 전자기기를 구동하기 위한 충분한 전기적 출력 성능을 내보일 수 없다는 문제가 있다.

한편, 금속 황화물, 반도체 산화물, 금속-유기 프레임워크, 그리고 맥신과 같은 무기물은 화학적 안정성, 기계적 특성, 그리고 전기전도성 등에서 우수한 물성을 내보이기 때문에 PDMS와의 합성을 통해 고성능 마찰전기 나노발전기로 이용될 수 있다. 여러 무기물 후보군 중, 니켈 텔루라이드(NiTe2)는 우수한 물성과 더불어 합성 과정이 비교적 간단하기 때문에 유망한 마찰대전 소재로 이용가능하다. 또한, 해당 물질의 전기전도성은 PDMS의 내부저항을 효과적으로 낮출 수 있기에 PDMS 기반 마찰전기 나노발전기로 이용 시에 효과적인 출력 성능 향상이 예상된다. 또한, 해당 물질의 나노벨트(NB) 형상은 고종횡비, 높은 비표면적, 그리고 많은 대전 영역(energy-harvesting sites), 빠른 전하 교환을 이끌어낼 수 있는 우수한 이점이 있기에, 고성능 에너지 수확 소자로서 다양한 가능성을 실현할 수 있다.

따라서, 본 연구진은 PDMS 기반 마찰전기 유연 나노발전기의 전기적 출력 성능을 더욱 향상시키기 위하여 니켈텔루라이드 나노벨트 소재를 이용하여 PDMS 복합체를 합성하여 마찰대전 물질로 이용하였다. 또한, 본 연구진은 PDMS 기반의 마찰전기 유연 나노 발전기의 출력 안정성과 성능 최적화를 위해 온도 의존성뿐만이 아니라 PDMS와 니켈텔루라이드 나노벨트의 중량비, 소자의 크기, 두께 등과 같은 요소들이 성능에 미치는 영향을 체계적으로 조사하였다. 5 % 함량의 니켈텔루라이드 나노벨트와 PDMS로 구성된 소자는 1.89 mW·cm-2의 높은 전력 밀도와 더불어 우수한 유연성을 내보였다. 또한 1 cm2에서 9 cm2 면적의 소자는 손에 의한 기계적 압착 시 최대 150개의 LED에 전원 공급을 할 수 있음을 확인하였다. 이상 본 연구진의 결과에 따르면 니켈텔루라이드-PDMS 복합체가 고출력 마찰전기 나노발전기의 성능 향상을 위해 상당히 선호되는 마찰대전 소재임을 보였다.

본 연구는 BK 4단계 신진 연구 인력 지원 사업과 미래창조과학부의 글로벌 프론티어 사업의 지원을 받아 에너지 관련 나노소재 및 나노소자 분야 최고의 학술지인 Nano Energy(IF = 17,881)에 게재되었다

Paper title:

Enhancing the output power density of polydimethylsiloxane-based flexible triboelectric nanogenerators with ultrathin nickel telluride nanobelts as a co-triboelectric layer