경상국립대학교 에너지시스템공학과 이재연 학생, 안건형 교수, 미시간-상해교통대 조율재 교수와 연구내용. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 안건형 교수팀은 석사과정 이재연 씨가 제1저자로 참여한 논문이 에너지 분야 세계적 학술지 '나노 에너지(Nano Energy)'(IF 19.0, JCR 상위 5.0%) 최신호(104, part A, (2022) 107891)에 게재됐다고 밝혔다.

논문 제목은 ‘웨어러블 전자 제품을 위한 블록 섬유 규모에서 향상된 자발적 자체 충전 향상 연구(Enhanced spontaneous self-charging through scalable template-free surface engineering at building block fiber scale for wearable electronics)’이다.

모든 것이 초연결되는 4차 산업혁명 시대에 정형화한 형태의 전자기기 틀에서 벗어나 각각의 전자기기가 하나로 연결되는 기술이 요구되고 있다. 이에 따라 활용에 제약이 없이 디자인할 수 있는 텍스타일(Textile, 직물) 기반의 전자기기 기술이 주목받고 있다.

또한, 텍스타일을 이루는 섬유 기반 전자기기의 또 다른 중요한 관심사는 충전기, 보조배터리 등 외부로부터 전력을 공급받는 것이 아니라 에너지 자립화 시스템(에너지 발전과 저장의 일체화)을 구축하고 그 기능을 지속적으로 향상시키는 것이 요구되고 있다.

따라서 에너지 자립화 시스템 실현을 위해 대표적으로 마찰전기 발전기(TENG; triboelectric nano generators)와 에너지 저장시스템(슈퍼커패시터)의 혼합화(하이브리드화) 연구가 진행되었다. 하지만 마찰 발전기에서 생성된 교류 전기를 슈퍼커패시터에 충전하기 위해 직류 전기로 바꾸기 위한 정류기 및 외부회로가 필요하다는 단점이 있다.

이번에 경상국립대 안건형 교수팀이 개발한 기술은 정류기 및 외부회로 필요 없이 마찰 발전 전기를 이용해 슈퍼커패시터 전해질 내부의 전하를 유도하는 기술을 도입한 것이다. 또한 에너지 충전 시간을 단축하기 위해 마찰전기 발전기의 표면을 플라즈마 공정을 통해 다공성 구조로 제어했다. 이 과정을 통해 충전기가 필요 없이 자체적으로 급속 에너지 충전이 가능한 스마트 섬유를 성공적으로 개발했다. 이 스마트 섬유는 접고, 뒤틀고, 꼬아도 높은 에너지 저장 유지 성능을 보였다.

이 연구는 경상국립대 에너지공학과와 세계적으로 저명한 미시간-상해교통대와의 공동연구로 수행해 얻은 결과물로, 원천기술을 선점해 학문적으로 시사하는 바가 크다. 또한 수행한 연구는 경상국립대 기술비즈니스센터의 도움을 받아 국내 특허 출원을 진행해 전문기술에 대한 지식재산권을 확보했다.

제1저자로 참여한 이재연 학생은 “첫 국제 공동연구가 결실을 맺어 기쁘다. 대학원에서 공부하는 동안 더 발전하고 싶다”고 말했다.

교신저자로 참여한 미시간-상해교통대 조율재 교수는 “웨어러블 소자를 구성하는 스마트 섬유 단위에서의 에너지 저장 제어 및 효율을 높이는 데 성공했다. 특히 이번에 개발한 스마트 섬유는 안정성 및 확장성을 겸비하고 있어 실제 웨어러블 소자로 적용 가능성이 높다”고 말했다.

경상국립대 안건형 교수는 “이번 연구는 4차 산업혁명에서 요구하는 미래형 스마트 섬유에서 반드시 해결해야 할 핵심 기술을 개발한 것이다”며 “에너지 충천 효율을 높여 인체 부착형 전자기기 또는 지능형 로봇 등 차세대 산업 분야에 다양하게 적용할 수 있는 원천기술이다. 기술 발전 및 상용화를 위해 후속 연구를 적극적으로 수행할 계획이다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 신진연구자지원사업의 지원으로 수행했다.