국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 2월호 표지에 실린 머리카락을 닮은 나노 구조물. 어느 방향에서 가해지는 작은 힘으로도 마찰전기를 만들어낸다. /어드밴스드 머티리얼스

바람만 불어도, 옷깃만 스쳐도 스마트폰을 충전할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 조성범 한국세라믹기술원 박사와 방창현 성균관대 교수 연구진은 지난 13일 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 "머리카락을 닮은 나노 구조물을 이용해 마찰전기를 효율적으로 만들어내는 기술을 개발했다"고 발표했다.

최근 인체에 부착(웨어러블)하거나 삽입하는 초소형 전자기기가 발전하면서 여기에 들어가는 배터리도 중요해지고 있다. 손톱보다 작은 기기의 배터리를 매번 충전하거나 교환하는 일은 비용이 많이 들고 번거롭다. 연구진은 태양광이나 진동, 열, 바람 등 일상에서 버려지는 에너지를 전원으로 활용하는 '에너지 하베스팅(harvesting·수확)'에 주목했다. 일상에서 발생하는 작은 움직임을 마찰전기로 바꿔 전원으로 활용하자는 것이다.

마찰전기는 두 물체가 접촉하고 떨어질 때 표면에서 전기를 띤 입자인 이온이 이동하면서 발생한다. 즉 두 물체가 접촉할 수 있는 방향(접촉 면의 수직 방향)의 움직임에만 반응한다. 수평 방향이나 회전하는 움직임으로는 마찰전기를 만들기 어려웠다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 머리카락 모양의 나노 구조물을 기존 마찰전기 소자 위에 부착했다. 머리카락 모양의 구조물은 모든 방향의 움직임을 수직 방향으로 바꿔주는 역할을 한다. 어느 방향에서 힘이 적용돼도 구조물이 휘어지며 소자를 아래로 누르고, 이 소자는 아래 놓인 다른 소자와 접촉한다. 그 결과 아주 작은 힘으로도 전기가 발생했다.

연구진은 나노 구조물이 있는 소자를 옷감에 부착해 지폐를 팽팽하게 펼 때 드는 힘의 5분의 1 정도에 불과한 0.2파스칼(Pa)의 수평 방향 힘에도 전기가 발생하는 것을 확인했다. 옷깃이 흔들릴 정도의 아주 작은 바람에도 마찰전기를 생산할 수 있음을 보여준 것이다. 조성범 박사는 "기존 소자 위에 나노 구조물을 올리는 디자인으로 마찰전기 나노발전기의 효율을 크게 높일 수 있게 됐다"면서 "초소형 IoT(사물인터넷) 기기, 생체 삽입형 소자의 전원 공급 문제를 해결할 수 있는 실마리를 마련했다"고 말했다.

유지한 기자(jhyoo@chosun.com)

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